還以為水凝膠驅(qū)動器仍停留在水中低速驅(qū)動嗎？No！《Nature Communication》最新發(fā)文，在空氣中工作的光敏水凝膠驅(qū)動器，運動速度可達到1.6 m/s，超過正常人步速（1.5m/s），響應(yīng)速度快 (800 ms)并可選擇方向進行彈射(15 cm)。
蘇州大學董彬教授團隊采用“懸浮聚合法”制備了一種殼狀結(jié)構(gòu)的水凝膠驅(qū)動器，驅(qū)動器由表面殼及內(nèi)芯構(gòu)成。聚丁二烯橡膠(PBR)構(gòu)成的外殼可以有效防止水凝膠的水分散失到空氣中，內(nèi)芯為半徑為1 mm納米四氧化三鐵-丙烯酸鈉（PAANa-IONP）復(fù)合球型水凝膠（圖1a）。帶正電(+18mv)的具有油胺表面配體的納米Fe3O4同帶有負電的PAANa水凝膠(-24 mV)可以通過靜電相互作用緊密結(jié)合在一起 (圖1b)，且Fe3O4在800-850nm波段光線具有良好的吸收性能并能夠?qū)⒐饽?近紅外光)轉(zhuǎn)化為熱能。因此，復(fù)合水凝膠能夠在輻照區(qū)產(chǎn)生局部溫度變化，進而汽化凝膠內(nèi)部水分，瞬間改變凝膠形狀，從而完成熱能到機械能的轉(zhuǎn)化（圖1c-f）。
圖1. (a)水凝膠驅(qū)動器的制備流程 (b)驅(qū)動器示意圖(左)、驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(右) (c) 驅(qū)動器跳躍示意圖(2.34 W) (d)驅(qū)動器跳躍 (2.34 W)照片 (e)驅(qū)動器滾動示意圖(2.34 W) (f)驅(qū)動器滾動(2.34 W)照片
該團隊認為納米Fe3O4的光熱作用可以使水凝膠驅(qū)動器的溫度迅速升高，導(dǎo)致水凝膠內(nèi)輻照區(qū)域內(nèi)的水蒸發(fā)，并迅速形成氣泡（圖2a），快速膨脹地局部突起撞擊基底，反作用力為跳躍和滾動行為提供驅(qū)動力，并通過高速攝像機、熱成像和計算機模擬研究了跳躍行為的機理。光照條件下，水凝膠驅(qū)動器中瞬間（3.2ms）出現(xiàn)的氣泡（圖2b-e），光照后驅(qū)動器的溫度由22℃升高到126℃（圖2f-h），超過水的沸點。
圖2. (a)水凝膠驅(qū)動器的局部形狀變化及其在光照射下的水汽化過程 (b-e)水凝膠驅(qū)動器在水凝膠驅(qū)動器底部2.34 W光照射下的起飛過程 (f)光照射前驅(qū)動器紅外熱圖像 (g)光照射后驅(qū)動器紅外熱圖像 (h)跳躍過程中的溫度變化
起飛瞬間
水凝膠驅(qū)動器的運動(跳躍和滾動)速度與水含量、納米Fe3O4含量和驅(qū)動器的尺寸有很大的關(guān)系。水凝膠驅(qū)動器在照射下產(chǎn)生的水蒸氣數(shù)量有限，所以水含量低（只能產(chǎn)生較小的氣泡）以及水含量高（降低光熱效應(yīng)造成的加熱效率），均會降低驅(qū)動器移動速度；納米Fe3O4含量高時凝膠柔韌性降低進而氣泡誘導(dǎo)變形變小，反作用力??；尺寸小的驅(qū)動器變形區(qū)域小、尺寸大的驅(qū)動器重量過大，均會導(dǎo)致運動速度的下降。通過大量實驗，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器的最佳水含量為60% wt.%，最佳Fe3O4含量為2%，最佳半徑為1mm。探究人員通過調(diào)節(jié)激光功率和照射位置，可以實現(xiàn)水凝膠驅(qū)動器不同的運動行為(跳躍或滾動)，在激光功率為0.04 ~ 0.39 W之間滾動，在0.39 ~ 0.67 W之間可以跳躍或滾動(取決于照射位置)，在0.67 ~ 2.34 W跳動。
圖3. (a)跳過障礙物 (b)滾過斜坡 (c)穿過狹縫 (d)穿過透明的z形管道
滾動:
跳躍:
穿越：
基于精確的控制，該水凝膠驅(qū)動器在不同的環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的適用性。水凝膠驅(qū)動器不僅可以跳過障礙（最大高度14cm），也可以在傾斜基底上快速滾動。目前該水凝膠驅(qū)動器的最大翻轉(zhuǎn)角度為15°，可以連續(xù)通過1.6mm的狹縫。有趣的是，水凝膠驅(qū)動器在復(fù)雜環(huán)境(如透明z管)中移動時，能夠表現(xiàn)出復(fù)雜的滾動和跳躍組合行為（圖3a-d）。
跳躍障礙
光驅(qū)動是一種無拴推進方法，適用于在狹小封閉的空間內(nèi)實現(xiàn)高精度驅(qū)動，這是手動操作無法實現(xiàn)的。該水凝膠驅(qū)動器具有良好的耐久性，規(guī)避了普通水凝膠驅(qū)動器需要的液體環(huán)境，在機器人技術(shù)、生物技術(shù)和其他微型裝置的廣泛應(yīng)用中具有很大的潛力。
文章鏈接：
