新型水凝胶微致动器，最新AM，实现百毫秒级响应！

电活性聚合物（EAPs）因其能将电刺激转化为机械响应的独特能力，长期以来备受科学界关注，在组织工程、药物递送、传感器和软体机器人等领域展现出巨大应用潜力。其中，离子型电活性水凝胶（EAHs）因其高含水量、良好的生物相容性以及仅需低电压即可驱动的优势而尤为突出。然而，传统宏观尺度的EAHs致动器面临一个核心瓶颈：响应速度极其缓慢，其平衡致动时间往往长达数分钟甚至数小时。这一缺陷严重制约了其在实际场景中的应用。究其原因，致动速度主要受限于水凝胶内部离子的扩散动力学，而根据菲克第二定律，扩散时间与凝胶尺寸的平方成正比。因此，将水凝胶的尺寸从宏观毫米级缩减至微观尺度，成为突破速度瓶颈的关键策略。

为攻克这一挑战，爱尔兰圣三一学院Larisa Florea教授、Jason M. Delente教授合作，利用双光子聚合（2PP）这一高精度微纳加工技术，成功制备出基于明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）的聚电解质水凝胶微结构，首次实现了电致水凝胶致动器在微米尺度上的超快速、可编程的4D运动。该工作不仅将致动器的平衡响应时间大幅缩短至约200毫秒，还展示了包括单向弯曲、扭转和360度转向在内的多种复杂致动模式，为微型软体机器人、微流控芯片和智能传感器等领域的发展开辟了全新路径。相关论文以“Fast Hydrogel Micro-Actuators Driven by Electric Fields”为题，发表在Advanced Materials上。

该研究的核心突破在于利用双光子聚合（2PP）技术，制备出特征尺寸仅约1微米的复杂三维水凝胶微结构。研究团队针对性地开发了三种光刻胶配方，分别基于阴离子单体丙烯酸（AA）和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），以及阳离子单体（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵（APTAC），从而构建出带有不同净电荷的聚电解质网络（图1A）。通过优化激光功率和扫描速度等打印参数，团队成功制造出高保真度的微米级结构，例如使用AA光刻胶制造的16层木堆结构和巴比伦塔，以及使用APTAC光刻胶制造的猫头鹰形状的复杂三维物体（图2），充分展示了2PP技术在构筑微观复杂结构方面的强大能力。对打印出的微立方体阵列进行表征发现，通过调节激光功率，可精确控制聚合物的交联密度和化学转化率（AA基结构转化率54%~63%，AMPS基结构68%~70%，APTAC基结构80%~85%），从而有效调控其微观力学性能（杨氏模量在0.4至数十兆帕之间）和在不同pH环境下的溶胀行为（图3）。

图1 (A) 用于微结构制造的双光子聚合（2PP）油浸配置示意图，以及光刻胶的组分：电活性（EA）单体——丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）和（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵（APTAC）；交联剂——乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPET 956）、N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBIS）和明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）；光引发剂——7-二乙氨基-3-噻吩甲酰香豆素（DEATC）和苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰膦酸锂（LAP）。为清晰起见，图中省略了覆盖在光刻胶顶部的盖玻片。 (B) 微悬臂梁的扫描电子显微镜图像。 (C) 悬臂梁致动的侧视图和俯视图示意图。 (D) 使用AMPS光刻胶（表2）通过2PP制造的微悬臂梁在50 mM磷酸盐缓冲液中，施加 (i) 60 V 和 (ii) -60 V 电位时的显微镜图像。 (E) 使用AMPS光刻胶制造的微悬臂梁（80×10×20 µm³）在50 mM磷酸盐缓冲液中，施加电场（6 V/mm）时的弯曲角度。 (F) 电致动机制示意图：(i) 向电解质溶液施加电刺激之前的状态，以及在施加刺激后，阴离子（ii）和阳离子（iii）电活性水凝胶（EAH）中电荷在凝胶内外重新分布的情况。 (G) 具有十字形基底结构（40×40×40 µm³）的垂直方柱（40×40×120 µm³）的示意图，以及 (H) 其在四电极系统可编程驱动下进行360度逆时针圆周运动的顺序显微镜图像。图(D)和(H)的比例尺代表30 µm。

图2 使用 (A) AA基、(B) AMPS基和 (C) APTAC基光刻胶（表1-3），在不同激光功率和0.2 µm切片距离下制造的立方体（10×10×4 µm³）的显微镜图像。使用 (D) AMPS光刻胶和 (E) APTAC光刻胶制造的网格结构的扫描电镜图像；(F) 使用APTAC光刻胶（30 mW, 10 mm/s）制造的猫头鹰；(G) 16层木堆结构，(H) 木堆结构的放大图，以及 (I) 使用AA光刻胶（22.5 mW, 10 mm/s）制造的巴比伦塔。(A–F)和(I)中的比例尺代表10 µm，(G)中为20 µm，(H)中为1 µm。

图3 (A) 使用递增激光功率（从20到40 mW，步进2.5 mW）制造的p(AA)微立方体阵列图。 (B) 使用原子力显微镜（AFM）获得的干燥状态下p(AA)微立方体的形貌图。 (C) 光刻胶及对应微立方体（在35 mW下制造）的拉曼光谱。 (D) 激光功率对使用AA、AMPS和APTAC光刻胶制造的微结构的转化率的影响。 (E) 激光功率对p(AA)微立方体在干燥状态、pH 2.7（HCl溶液）水合状态、去离子水和pH 12（NaOH溶液）水合状态下杨氏模量的影响。 (F) 激光功率对p(AA)、p(AMPS)和p(APTAC)微立方体在去离子水中杨氏模量的影响。

在成功制备微结构的基础上，研究团队系统研究了微悬臂梁（尺寸为80×20×10 µm³）的电致动性能。实验表明，在6 V/mm的电场作用下，基于p(AMPS)的微悬臂梁能在短短200毫秒内达到平衡弯曲角度，最大可达44.9±7.8°（图4）。值得注意的是，在5 V/mm的电场下，p(AMPS)微悬臂梁的弯曲角度甚至可以达到46.7±4.8°，角速度高达467°/s。作为对比，相同材质但尺寸放大了100倍的毫米级悬臂梁，达到类似弯曲角度（约29°~30°）所需的时间长达34~41秒。通过将致动器尺寸从毫米级降至微米级，其响应时间实现了惊人的228倍缩减，这充分证明了尺度效应对加速离子扩散、提升响应速度的决定性作用。研究进一步明确，致动方向由水凝胶网络的净电荷决定：阴离子水凝胶（如p(AA)和p(AMPS)）向阴极（−）弯曲，而阳离子水凝胶（如p(APTAC)）向阳极（+）弯曲，这与电场下的动态离子富集/耗尽机制完全吻合。

图4 (A) 由动态富集和耗尽机制驱动的聚阴离子水凝胶条带弯曲的示意图。改编自Jin等人[95]。 (B) (i) p(AA)、(ii) p(AMPS)（显示随pH变化的聚合物网络电离）和 (iii) p(APTAC)（具有永久带电的聚合物网络）的化学结构。 (C) 和 (D) 分别为p(AA)微悬臂梁和宏悬臂梁在 (i) 施加电场前、(ii) 施加电场后（6 V/mm, 1 Hz）以及 (iii) 电极极性反转后的显微镜图像。 (E) 微悬臂梁（80×10×20 µm³）和宏悬臂梁（8×1×2 mm³）在六个极性周期内弯曲角度的比较。 (F) 和 (G) 分别为p(AMPS)和p(APTAC)微悬臂梁在 (i) 施加电场前、(ii) 施加电场后（6 V/mm, 1 Hz）以及 (iii) 电极极性反转后的显微镜图像。 (H) p(AMPS)和p(APTAC)微悬臂梁在六个极性周期内弯曲角度的比较。

为进一步优化致动性能，团队系统考察了微悬臂梁的几何尺寸（长度、宽度、高度）以及外部实验条件（电场强度、电解质浓度和pH值）对致动行为的影响。结果显示（图5），增大悬臂梁的长度或高度，以及减小其宽度，均能有效增加弯曲角度，最终确定了80×10×20 µm³为最优几何构型。在实验条件方面（图6），弯曲角度随电场强度增加呈线性增长，但过高的电场会引发电解液水解和气泡产生，影响稳定性，因此最佳电场强度为4-5 V/mm。此外，电解质的离子强度和pH值也对致动幅度有显著影响：高浓度电解质会减小凝胶内外离子浓度差，降低渗透压差，从而削弱致动；而pH值则通过改变离子化单体的电荷状态来调节致动响应。

图5 梁的几何形状对p(AA)微悬臂梁电致动的影响。 (A) 梁的长度对微悬臂梁弯曲角度的影响，以及 (B) 相应的总弯曲角度。 (C) 梁的宽度对微悬臂梁弯曲角度的影响，以及 (D) 相应的总弯曲角度。 (E) 梁的高度对微悬臂梁弯曲角度的影响，以及 (F) 相应的总弯曲角度。

图6 实验条件对p(AA)、p(AMPS)和p(APTAC)微悬臂梁电致动的影响。 (A) 电场强度对微悬臂梁弯曲角度的影响，以及 (B) 相应的总弯曲角度。 (C) 电解质溶液浓度对微悬臂梁弯曲角度的影响，以及 (D) 相应的总弯曲角度。 (E) 电解质溶液pH值对微悬臂梁弯曲角度的影响，以及 (F) 相应的总弯曲角度。

本研究的另一大亮点是实现多材料集成致动与复杂运动模式。通过3D打印技术，团队将不同材质（如p(AMPS)与p(APTAC)，或p(AA)与p(APTAC)）的微悬臂梁集成于同一基底上，构建出类似“抓手”的结构（图7）。这些结构中的不同部分可在同一电场下，根据自身材质和周围pH环境的不同，表现出相反或选择性响应的致动行为。例如，在酸性条件下（pH 3.2），由p(AA)与p(APTAC)组成的结构中，只有永久带正电的p(APTAC)悬臂会致动，而pH响应的p(AA)悬臂则保持静止；而在由p(AMPS)与p(APTAC)组成的结构中，两者均会致动但方向相反，幅度则分别因pH不同而增减（p(AMPS)在pH 3.2下致动幅度减小，p(APTAC)幅度增大），实现了复杂的逻辑控制。此外，研究还展示了超越简单弯曲的复杂4D运动。通过在设计时引入非对称结构或内部刚度梯度，成功制造出可产生扭转运动的微柱（图8）。更进一步，通过构建四电极系统并编程控制电场方向，引导微柱在4 V/mm电场下实现了360度全方位转向和沿半径约35 µm的圆周轨迹运动，展示了在2D平面上对致动方向的精准操控（图9）。

图7 p(AMPS)∖p(APTAC) (i–iii)、p(AMPS)∖p(AA) (iv–vi) 和 p(AA)∖p(APTAC) (vii–ix) 多材料结构在pH 3.2 (i, iv, vii)、pH 7.4 (ii, v, viii) 和 pH 10.6 (iii, vi, ix) 的电解质溶液中，在 (A) 施加电场（4 V/mm, 1 Hz）和 (B) 反转电场方向（4 V/mm）后的显微镜图像。比例尺代表50 µm。

图8 (A) 垂直支柱三维模型的主视图。 (B) 垂直支柱三维模型在施加电场后的侧视图。 (C) (i) 施加电场前、(ii) 施加电场后（4 V/mm, 1 Hz）以及 (iii) 电极极性反转后，三维模型（上方）和制造的垂直微柱（下方）的俯视图（⊕: 阳极; ⊖: 阴极; o: 中性）。支柱的红色部分代表以较高激光功率制造的区域。比例尺代表20 µm。

图9 (A) 方柱的三维模型，显示为四分之三视图（左上）、侧视图（右上）、俯视图（左下）和俯视显微镜图像（右下）。 (B) 方柱在电致动过程中（4 V/mm, 1 Hz）的顺序俯视显微镜图像。支柱从(i)到(ix)以45度为增量逆时针描绘出一条圆形路径。四个圆圈代表电极的位置及其极性（⊕: 阳极; ⊖: 阴极; o: 中性）。比例尺代表20 µm。

总而言之，这项研究通过将双光子聚合微纳加工技术与电活性水凝胶材料巧妙结合，成功解决了电致水凝胶致动器响应迟缓的长期难题，实现了具有百毫秒级响应速度和高精度可控的微尺度4D运动。该工作首次报道了基于GelMA的电致水凝胶微致动器，并系统建立了从材料配方、结构设计到外部环境调控的完整性能优化策略。通过展示多材料集成、扭转以及可编程二维转向等复杂致动模式，该研究为下一代智能微型机器人的设计提供了全新的思路。未来，随着片上微电极等技术的集成，这类微型致动器有望在微流体操控、靶向药物递送、微创手术工具以及高灵敏度传感器等前沿领域发挥重要作用，真正实现从实验室走向实际应用的跨越。