长期以来，软体动物的运动不断激发着科学家们设计软执行器的灵感，这种执行器可以将各种形式的能量转化为机械功。水凝胶具有与软组织相似、良好的生物相容性和较大的变形能力，有可能缩小合成执行器和生物有机体之间的性能差距。但是，由于渗透驱动的驱动机制，传统的刺激响应水凝胶驱动器通常表现出较低的驱动力(≤2 N)和较慢的响应。它们的承受压力也有限，如果用力过猛，它们会倒塌或破碎。

因此，如果想要向软机器人和人造肌肉领域进军，这就要求水凝胶具有强大的驱动力和对外部刺激的快速反应。

鉴于此，首尔大学Jeong-YunSun和Ho-Young Kim等人报告了通过结合膨胀设计和电渗透来绕过最先进的水凝胶致动器以实现超高驱动力 (730 N) 和高速响应的水凝胶致动器。成果发表在Science上

一些背景

通常，水凝胶致动器通过改变网络中的渗透压来工作。由此产生的压力（高达几兆帕）不能作为驱动力充分利用，因为它与网络在膨胀平衡时的弹性恢复应力相平衡。一种很有吸引力的方法是使用耗散机制（例如，双重交联和双重网络）来提高水凝胶的机械强度，从而增强驱动力。然而，这一机制对驱动速度没有贡献，驱动速度在很大程度上取决于水凝胶的孔隙率。

与渗透机制相比，非渗透机制可以用来制造具有更大驱动力的水凝胶致动器。由高压水驱动的水凝胶提供的驱动力(≈2N)比现有的渗透驱动水凝胶(≤0.01N)高得多。同时，受青蛙超强跳跃能力的启发，一种超分子水凝胶通过储存和释放弹性势能表现出0.3 N的驱动力。然而，要实现它们在软机器人中的实际应用，则需要更强大的驱动力。

渗透压驱动的水凝胶驱动器遇到的另一个瓶颈是由于扩散限制的水传输，它们的驱动速度很慢。提高驱动速率的一种通用方法是通过冻融、3D打印和相变引入孔隙。新出现的不依赖于水扩散的驱动机制，如静电介电常数变化和光致气泡形成，不仅可以实现超快响应(≤1 s)，还可以在露天环境中实现驱动。尽管它们的驱动速度对于大多数实际应用来说是可以接受的，但仍需要更多的改进来实现高驱动力同时保持快速响应

打破砖头！

在自然界中，由于细胞壁对运输水的限制作用，植物细胞保持着较高的膨胀压力。受这一现象的启发，该课题组通过在水凝胶上包裹一层可渗透且坚硬的膜来创造一个受限的溶胀环境，从而产生超高渗透压(π_os^wrapped)，其中水凝胶选用的是聚（3-磺基丙基丙烯酸酯）钾盐（PSPA）聚电解质水凝胶，因为可电离的聚合物链有助于高渗透压。理论计算表明，阻止驱动的聚合物弹性应力(σ_el)的贡献可以忽略不计。这两个因素都促成了超强的驱动力（730 N），比现有的水凝胶驱动器高三个数量级。该膨胀致动器可以承受917N的高压而不会断裂，这是完全溶胀的裸水凝胶（41 N）的22倍。这使得它可以打破一块坚硬的砖头，这对于目前的水凝胶来说几乎是不可能的。

图|水凝胶膨胀致动器的设计和原理

图|渗透驱动水凝胶膨胀致动器的机械性能

电渗辅助加速

尽管水凝胶膨压致动器可以通过使用渗透压产生大的致动应力，但致动速度相当低，因为致动是由水的扩散驱动的。为了实现快速驱动，研究人员在渗透的基础上添加了电渗效应。电渗是在电场作用下，水在带电多孔材料的双电层(EDL)中持续快速流动的过程。

如下图所示，聚电解质水凝胶含有与聚合物网络结合的固定电荷，形成EDL。因此，电解质溶液中的反离子可以在电场的作用下穿过带电的聚合物网，从而将水拖入凝胶网络。被拖拽的水分子被亲水聚合物链捕获，从而导致水凝胶的膨胀。这种主动的水传输使聚电解质凝胶的膨胀速度比渗透驱动的膨胀快得多。此外，打开和关闭电场可以允许在 20 次以上的循环中进行可逆驱动，而不会出现任何劣化。

图|电解质溶液中水凝胶膨胀致动器的电渗驱动

水下构建复杂结构

研究人员使用水凝胶膨压致动器作为水环境中的结构材料，因为它们可以快速膨胀并承受很大的力。首先展示了希腊神庙结构的快速建造，其柱子由填充少量聚电解质凝胶的膜制成。如下图所示，在施加电场之前，柱子是松弛的，所以寺庙的屋顶和地板是接触的。然而，当施加 2.5 V/cm 的电场时，柱子逐渐抬起屋顶，整个过程大概需要8分钟，从而形成完整的希腊神庙结构。考虑到浮力，这座水下神殿承受了 17.3 N 的有效载荷。

研究人员还演示了通过在膜中加入皱纹来构建复杂的结构。当凝胶在膜内膨胀时，膜上的皱纹就像关节一样展开。在施加4.3V/cm电场后，可以在15分钟内创建冰屋状的遮蔽物结构。考虑到浮力，水下冰屋可以承受8.6N的重量。即使没有电场，由于渗透压，膨压致动器仍然可以作为支撑。因此，构建的结构可以在水环境中以高刚度持续保持其形状。

图|快速建造水下结构

小结：

该研究为最大化水凝胶的驱动力开辟了一条令人兴奋的途径。理论分析为合理设计和更好地理解材料性能提供了指导。一种结合了超高驱动力、高压缩性和快速响应的膨压水凝胶将有助于加速下一代能够承受高水下压力的水下软机器人。

尽管取得了实质性进展，但这些材料仍处于早期阶段。未来的努力应该致力于实现它们在非水条件下的出色保水能力。表面改性和创新材料设计的结合可能是下一代集成智能水凝胶在多种环境中表现出快速、可逆和大功率驱动的一个有前途的方向。

参考文献：

1. Hydrogel-based strongand fast actuators by electroosmotic turgor pressure. Science 2022.

DOI: 10.1126/science.abm7862

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm7862

2. Strong and fasthydrogel actuators. Science 2022.

DOI:10.1126/science.abo4603