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华东理工大学Angew:水凝胶相变机器人

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软机器人因机械顺应性、环境适应性和安全性等优势而受到关注,但绝大多数软机器人仍在固态下工作,形态适应性受限。相变软机器人可在不同相态间转换,以在极端受限和非结构化地形中完成任务,但其主要瓶颈在于 缺乏能够无缝整合相变与驱动功能的软材料。现有候选体系多依赖热驱动相变,不仅需要外部加热/冷却设备,而且在温度敏感场景中的应用受到严重限制;水凝胶虽广泛用于软机器人,但利用水凝胶构建相变软机器人仍是一个有待探索的领域。

华东理工大学轩福贞教授、王义明研究员合作,报道了一种由化学反应驱动的超分子水凝胶相变机器人:肽溶液在碳二亚胺驱动下发生超分子凝胶化,随后经历脱水过程。肽中的羧基在加入碳二亚胺后可转化为疏水噁唑酮基团,中和肽的负电荷,从而激活其自组装形成水凝胶;随着疏水噁唑酮物种逐步形成,水凝胶网络更加疏水,进而导致脱水诱导的宏观收缩,收缩程度可通过改变碳二亚胺浓度调节。这种“溶胶—凝胶转变”随后伴随驱动的行为,使相变机器人能够流入复杂地形,捕获并运输货物,表现出非凡的形态适应性;作为应用,机器人可自适应进入狭窄通道以调控电路。相关论文以“Chemical Reaction-Powered Self-Assembly and Dehydration of Supramolecular Hydrogels for Phase-Transitional Robots”为题,发表在 Angew上。


研究首先将化学燃料消耗、超分子自组装与宏观驱动串联起来(图1a):设计的带电荷羧酸盐肽在EDC消耗驱动下转化为疏水噁唑酮肽(图1b),亲水肽与疏水肽共组装形成纤维水凝胶网络,而随着疏水性逐渐增加,该网络发生脱水诱导的收缩(图1c),从而为相变与驱动实验提供统一框架。这一设计将化学燃料消耗、超分子自组装与宏观驱动串联起来。


图1 相变水凝胶机器人设计。 (a) 相变水凝胶机器人概念示意图;(b) 示意图显示设计的带电荷羧酸盐肽在EDC消耗驱动下转化为疏水噁唑酮肽;(c) 示意图显示EDC驱动亲水肽和疏水肽共组装,形成纤维水凝胶网络,该网络随疏水性逐渐增加而发生脱水诱导的收缩。

在方法上,研究以Fmoc-LG肽溶液为模型,加入1.0当量EDC后约25分钟成胶(图2a),红外光谱和液相色谱确认羧酸盐转化为噁唑酮(图2b、图2e);提高至1.5当量EDC可在约10分钟内成胶并随后收缩(图2c),尺寸比可降至0.85乃至0.55(图2d)。排出水相归一化质量在1.5、2.0和3.0当量EDC下分别稳定在约0.54、0.70和0.88。噁唑酮形成时间与凝胶化及收缩时间尺度一致(图2e),表明收缩由疏水噁唑酮形成所主导;收缩速率和程度可通过燃料浓度调节(图2c、图2d),收缩后凝胶因局部肽浓度提高和表观pKa位移而被捕获,提高pH液化后可重复驱动,但废物EDU积累会导致性能退化。


图2 EDC驱动的超分子水凝胶相变与驱动行为。 (a) 1.0当量EDC驱动肽溶液的动态凝胶化过程;(b) 傅里叶变换红外光谱显示a中样品的化学演变;(c) 照片显示不同EDC浓度驱动样品的凝胶化和驱动过程,比例尺=1 mm;(d) c中水凝胶尺寸比随时间变化;(e) 高效液相色谱测定的c中样品噁唑酮浓度随时间演变。加入50 µM尼罗红以可视化水凝胶。d、e中误差棒为三次平行测量计算的标准差。

机制研究进一步表明,加入EDC后噁唑酮肽与剩余羧酸盐肽共组装形成带电荷纤维网络(图3a);随着疏水噁唑酮逐步积累,网络疏水性增强并发生脱水收缩,负电荷先减少后因噁唑酮水解而部分回升(图3b、图3c),纳米纤维由约17 nm细纤维转变为约30 nm粗束,最终形成由约15 nm细纤维组成的稳定收缩凝胶(图3d、图3e)。共聚焦荧光、zeta电位和透射电子显微镜结果共同确认,驱动过程由疏水噁唑酮形成与网络电荷、形貌演化协同控制。


图3 超分子水凝胶的驱动机制。 (a) 共聚焦显微镜图像显示水凝胶网络形态及尼罗红和Hoechst 33258荧光强度随时间演变,EDC浓度为1.5当量,尼罗红浓度为15 µM,Hoechst 33258浓度为5 µM;(b) a中两个通道荧光强度随时间变化,F.I.表示荧光强度;(c) 纳米纤维zeta电位随时间变化,误差棒为三次平行测量计算的标准差;(d) 透射电子显微镜图像显示不同阶段水凝胶网络形态;(e) d中纤维直径统计分析(n=50),平均直径由高斯拟合获得。

在应用演示中,优化后的液态混合物可快速流入预设模具并忠实继承复杂几何形状,包括精细字母结构(图4a);在T形通道中,机器人可流入受限空间,通过凝胶化捕获30.1 mg玻璃珠并依靠收缩提升约0.4 cm(图4b),最大载荷约37.2 mg,最大机械功约0.84±0.03 µJ,改变EDC浓度可调节提升速率和高度(图4c),弯曲通道中同样可携带货物运动(图4d、图4e);在电路调控中(图4f),液态机器人流入通道捕获并提升铜球,使原本闭合的电路断开、灯泡熄灭(图4g),展示了相变水凝胶机器人在受限空间内捕获、运输和功能调控的能力。


图4 相变水凝胶机器人的形态适应性和概念验证应用。 (a) 继承模具几何形状的不同形状水凝胶机器人,比例尺=5 mm;(b) 照片显示相变水凝胶机器人自适应流入T形通道,通过快速凝胶化捕获玻璃珠,并通过随后的驱动将球提升;(c) b中不同EDC浓度下球提升高度h随时间变化;(d、e) 弯曲通道情况下的相应结果;(f) 示意图显示使用相变水凝胶机器人调控电路;(g) 液态机器人流入通道捕获并提升铜球,导致灯泡熄灭。加入50 µM尼罗红或100 µM尼罗蓝以可视化水凝胶机器人。除非另有说明,a至g中使用3.0当量EDC。

总结而言,该研究通过碳二亚胺驱动亲水羧酸盐肽向疏水噁唑酮肽的动态转化,将溶胶—凝胶转变与水凝胶脱水收缩无缝整合,实现了一种无酶的化学机械能量转导机制,其收缩速率和程度可由燃料浓度调节。未来,基于该概念可设计在相对温和条件下工作、对生态环境和人体更友好的先进水凝胶相变机器人;在进一步优化和评估生物相容性与驱动控制后,该概念可探索用于微创货物运输和自适应生物医学器件,并与传感或污染物结合功能整合,用于自主环境监测和修复;溶胶—凝胶随后驱动的行为还可扩展到聚合物水凝胶,赋予相变机器人更稳健的机械性能。


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