水凝胶纤维软体机器人可大规模工程化编织

据悉，北京理工大学赵扬等人开发了一种通过使用自润滑纺丝（SLS）策略连续制造电响应水凝胶纤维的方法。水凝胶纤维内部的聚电解质赋予其快速的电响应特性，与三甘醇（TEG）进行溶剂交换后，水凝胶纤维的最大拉伸强度从0.114 MPa 增加到5.6 MPa，远远优于之前报道的基于水凝胶纤维的执行器。

在传统的微流纺丝过程中，通常要求具备层流层以使固化的凝胶与管壁分离。在此工作中，研究人员并未刻意添加层流层，而是创造性地在水凝胶的单体丙烯酰胺（AAm）中加入了同样为水溶性的聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸）（PAMPS），就可以纺出表面光滑的水凝胶纤维。研究人员对比不添加PAMPS 组分的纺丝过程时，发现PAAm 水凝胶在PTFE（聚四氟乙烯）管中固化而造成堵塞，可见PAMPS的加入充当了层流层的作用：在水凝胶的固化过程中，部分PAMPS 和水分子被排出纤维中央，在管壁处形成了润滑层，实现了纺丝过程中的自润滑。然而，自润滑层中也包含了部分AAm 单体，且这些单体在后续的紫外照射下并未形成固化，这与其浓度降低有关。因此，研究人员采用两步固化法，即在纤维从PTFE 管中喷出后继续进行紫外光辐照，完成了进一步固化，最终得到的水凝胶纤维表面光滑平整，可以在水中溶胀，而且通过简单调控PTFE 管道的直径即可直接控制水凝胶纤维的直径。

PAAm 水凝胶作为一种典型的电活性水凝胶，在具有偏压的氯化钠水溶液中表现出明显的电致形变现象，在25 s 内，其形变角度可高达90°，将偏压从0.25 V/mm 提高至 1.0 V/mm 时，水凝胶纤维的最大弯曲频率可以从0.018 Hz 提升至0.05 Hz。为了提高该水凝胶纤维的强度，研究人员提出采用置换的方法，将三甘醇（TEG）与水分子进行了置换，置换后得到的凝胶纤维称为T-fiber，T-fiber的断裂强度不仅提高至5.6 MPa，断裂伸长率也提高至159%，同时实现了增强和增韧。T-fiber 具有良好的柔韧性和较高的机械强度，因此可以被用来制造各种形状复杂的三维功能结构，例如钩针花、三结、线管、五角星形和空心笼等。为了能够更逼真的模拟智能生物体的复杂且多变的运动，研究人员设计了多种样式的电场，分别有效地模拟了在水环境中蝠鲼的扑动、水母的抓取、海蠕虫的多自由度运动以及类似人类手指的聪明手势。终上所述，这项工作不仅为大规模生产以前不可行的水凝胶纤维提供了范例，而且为水凝胶机织智能设备的合理设计和制造提供了解决方案。