【背景介紹】

由生物體激發運動和形狀變化以響應外部刺激的水合軟物質設計仍然是一項重要的科學挑戰。為實現該目的而設計的水合結構和機理最終可能對開發具有機車能力的水化學材料或增強生物系統功能很有用。用磁場驅動的軟質物質實現這一目標特別有吸引力，因為磁場可以安全地穿透大多數物質，包括生物物質。在以前的工作中，已經證明磁場可以使金屬主幹彎曲並引起行走，啟用顆粒細絲的運動，並引起包含鐵磁成分的彈性體材料的運動。在這些彈性材料中，透過各種製造技術生成了特定的磁化圖案和物體幾何形狀。但是，一旦準備好這些樣品，響應的磁化曲線便是靜態的，並且在沒有磁場的情況下無法重新配置。在先前的工作中廣泛使用的磁性成分是球形和不規則形狀的磁性顆粒（例如氧化鐵和NdFeB），它們缺乏磁性各向異性，因此需要高負荷的磁性材料或使用強磁場來啟用相當大的響應。用於嵌入這些顆粒的基質是疏水性聚合物，彈性體或負載在剛性氮化矽膜上的顆粒。

水凝膠提供了在水中起作用的可能性，並且還具有與水性環境交換流體的能力。以前關於宏觀水凝膠的研究表明，受光，熱，化學或電化學刺激可啟用彎曲，行走或游泳行為，但除非將其縮小至微米級別，否則所有這些系統均會顯示出緩慢的運動驅動動力學。將功能奈米級組分摻入水凝膠提供了產生新興性質和效能的強大策略。此類材料可以輔助生產功能，其功能可能從機器人技術到化學反應的智慧管理以及與細胞的通訊。

【科研摘要】

最近，美國西北大學Garrett C. Lau和李闖研究員團隊等人報告了一種水凝膠的設計。相關論文Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields發表在《Science Robotics》上。該水凝膠包含高縱橫比的鐵磁奈米線支架，該支架具有向列順序分散在聚合物網路中，該聚合物網路可響應光而改變形狀並在旋轉磁場中經受扭矩。協同響應可以使宏觀物體在水中在平坦或傾斜表面上快速行走，並透過滾動運動和光碟機動形狀變化來引導貨物運輸。對外部能量輸入的響應的理論描述使作者能夠對水凝膠物體的特定軌跡進行程式設計，這些軌跡已透過實驗驗證。

1.水凝膠-金屬雜化物的設計

為了合成水凝膠金屬樣品，將Ni奈米線新增到包含單體，交聯劑，引發劑和可聚合光開關SP單體的溶液中，以建立光響應性交聯網路（圖1A）。在黑暗和酸性條件下，光敏開關包含親水質子化的花菁（MCH+）部分，該部分在暴露於可見光時會異構化為疏水性SP形式。暴露下的這種異構化由於脫水導致水凝膠收縮，然後在黑暗條件下膨脹。將鐵磁奈米線在靜磁場下對齊，然後透過光響應水凝膠的自由基光聚合將其固定在此配置中（圖1，A和B）。小角X射線散射（SAXS）證實了納米線的排列，如二維散射強度圖的徑向積分所示（圖1C）。我們測得的殘餘磁化強度為260電磁單位/cm3，與奈米線的排列方向平行，並且反轉樣品磁化強度所需的矯頑磁場為25 mT（圖1D）。

圖1設計用於對光和磁場的耦合響應的水凝膠。

2.對光和磁場的雙重響應

將所製備的水凝膠材料在酸性水中浸泡40分鐘，以獲得平衡的溶脹狀態，然後在包含5 mM HCl的大型水浴（〜100 ml）中進行光活化實驗。光照下，這種膨脹狀態收縮至其原始體積的84％。由於驅動發生在酸性水中，因此SP1水凝膠能夠進行連續的驅動迴圈，而無需進行額外的HCl預處理。圖1E（左）顯示了使用此方法計算出的水凝膠平板中的水濃度梯度以及由此產生的變形。變形的光誘導彎曲的幾何形狀導致磁性奈米線（由洋紅色箭頭指示）相對於所施加磁場的不均勻3D磁化輪廓。

3.程式設計的步行和轉向運動

為了開發機器人功能，作者準備了包含對準的Ni奈米線的十字形水凝膠膜（圖2A）。根據先前的結果，將膜厚固定在0.5 mm左右，以獲得最佳的光異構化速度和變形穩定性。光照後，平坦的樣品彎曲成具有兩個行走腿（w1，w2）和兩個穩定臂（s1，s2）的物體（圖2B）。作者發現，當水凝膠-金屬雜化體被光線照亮並彎曲時，會建立一個不均勻的3D磁化曲線，從而能夠在外部旋轉磁場的影響下行走（圖2C）。平均磁化強度（紫色箭頭）和外部磁場（藍色箭頭）位於yz平面內，磁轉矩密度由τm= FM/J×B給出。因此，僅磁轉矩的x分量為a非零數量。y-z平面中的旋轉磁場產生磁轉矩的振盪x分量，該分量導致物件繞x軸（垂直於行走方向）順時針和逆時針交替旋轉（圖2D）。由於磁轉矩和重力的結合，物體以交替的方式降落在其前腿和後腿上（圖2C）。該模型假設腿和地板之間的摩擦力足夠大，可以避免走路時打滑。磁彈性耦合導致水凝膠腿部跨度的週期性變化（w1和w2之間的距離）（圖2，D和E），這使得水凝膠沿y軸淨位移。此外，由於較大的磁轉矩，較長的側臂對於穩定水凝膠的運動和最佳化步行過程中的升力很重要。最後，發現在較高的頻率（0.3至0.7 Hz）或較強的磁場（11.5至16.0 mT）下，步行速度更快（圖2F）。

圖2光觸發了在旋轉磁場下行走。

雜化水凝膠還可以透過控制所施加的磁場在z方向（即垂直於行走平面）產生附加扭矩，從而在沿x-y平面行走時實現任意方向的轉向運動。使用模擬，作者預測透過在x，y和z方向上對施加的場進行程式設計以達到所需的扭矩（圖3，B和圖3），物體可以30°的增量旋轉90°（圖3A）。如圖3A所示，實驗觀察到了使用模擬進行的預測運動。兩種運動模式（行走和轉向）使該水凝膠樣品可以在2D水平或傾斜表面上到達任意目的地。圖3D顯示了設計的多匝任意路徑，圖3E顯示了其相應的實驗實現。因此，這些材料的實驗樣品可以具有機器人功能，在這種情況下，它涉及在宏觀距離上遵循連續路徑。

圖3旋轉磁場下樣品的轉向運動和軌跡。

4.光開關化學對行走軌跡的影響

為了開發更復雜的機器人功能，作者合成了具有不同分子光電開關的水凝膠以調節光致動力的動力學。由SP1製成的水凝膠在實驗過程中（圖4A）可以在可變的光強度（96至190 mW/cm2）下保持其彎曲曲率，這一點已透過腿長的變化得到證實（圖4C，黑色）。含有SP2的雜化樣品的水凝膠成分在相對較低的光強度（23.5至33.0 mW/cm2）下彎曲然後變平（圖4，B和C，紅色），因為長時間的照射會破壞初始的光誘導疏水性與材料彎曲相關的梯度。如圖4（E和F）所示，發現隨著光強度的增加，含有SP1水凝膠的樣品彎曲和走動更快。在低強度然後高強度的情況下連續照射10分鐘後，SP1水凝膠的行走速度（見圖4F）比暴露於恆定光強度10分鐘（0.7毫米/秒）後的速度更快（1.2 毫米/秒）（圖4D）。

圖4水凝膠機器人的化學設計和雙峰控制。

作者還發現，透過在製備鎳-水凝膠複合材料期間控制奈米線的排列方向，可以建立具有不同步行模式的物件。奈米線相對於其腿成對角線排列的物體透過在旋轉磁場下同時抬起兩條腿來表現出步行運動（圖5A）。奈米線垂直於薄膜排列的物體的走動與薄膜平面中具有奈米線的物體的走動相似，但是當磁場從yz平面重新定向到xz平面時，由於缺少磁各向異性，物體不會旋轉（圖5B） 。

圖5水凝膠機器人響應奈米線取向的行走模式。

5.貨物運輸和放行

除了在平面上行走外，水凝膠物體還可以爬上傾斜的表面（圖6A），因此在上升和下降過程中（圖6B）顯示出不同的行走速度。水凝膠-金屬混合樣品可以利用光和磁場暴露來運輸和釋放貨物。從下方用高強度光（4800 mW/cm2）照射樣品，導致水凝膠捲曲成球形物體，包裹著放置在其下方的藻酸鹽水凝膠珠（貨物）（圖6C）。除了使用滾動運動，該機器人還能夠透過步行運動來運輸貨物。由於MCH+帶正電，因此水凝膠機器人可以透過靜電引力將附著在物體頂部的帶負電的貨物（藻酸鹽珠）運輸，並透過步行將貨物運送到任何目的地，然後透過快速旋轉釋放（圖6D） 。

圖6水凝膠機器人在旋轉磁場下執行任務。

參考文獻：

DOI: 10.1126/scirobotics.abb9822