水凝膠是一種與我們的日常生活息息相關的材料，它可以是我們把玩的玩具（水寶寶），可以是我們貼身的敷料（退燒貼、尿不濕），甚至可以是我們餐桌上的食物（豆腐、果凍）（圖1）。除此之外，在科學家們的眼中，水凝膠這種像水母一樣的軟軟的、充滿水的材料因為具有良好的生物相容性，還被認為是極佳的仿生智能材料，可以用在組織工程、仿生變形以及軟體機器人等領域。因而，近年來水凝膠吸引了國内外衆多學者的關注。

圖1. 生活中常見的水凝膠（圖片來自網絡）

随着水凝膠的發展，科學家們通過不斷地改性，一次次為水凝膠注入新的功能，使其變得越來越智能。現在的水凝膠已經能像花一樣“開花”變形，像動物一樣會走，會跳甚至會遊泳（圖2）。但是水凝膠脆弱易碎的問題，往往使得其在使用的過程中因局部“受傷”而失去了繼續使用的價值。因此如何去修複“受傷”凝膠并且讓其回複初始的功能成為了如今亟待解決的科學難題。

圖2. 變形水凝膠及水凝膠軟體機器人（Nat. Mater. 2016, 15, 413.；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 17512.; Sci. Robot. 2020, 5, eabb9822.；Sci. Robot. 2019, 4, eaax7112.）

大自然是一個無限的資源與想法的寶庫，研究人員往往能通過模仿大自然得到解決問題的靈感。在自然界中，受傷是一種再常見不過的問題了，例如當壁虎遇到危險時，會自發地折斷自己的尾巴以赢取逃生的機會。随後壁虎身體内的循環系統會馬上向傷口運輸大量的生長激素，這些生長激素會快速地刺激傷口處細胞的分裂和分化，因此不需要過太久，一條新的尾巴又能重新從壁虎的身上長出來了（圖3）。正是受到壁虎斷尾重生的啟發，研究人員大膽地猜想，如果我們使用的水凝膠也可以像生命體一樣會生長，是不是就能解決水凝膠脆弱易碎的問題了呢？

圖3. 壁虎斷尾重生示意圖

基于以上的設想，中國科學院甯波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊首先通過浸泡以及塗覆的方式，将水凝膠的“生長激素”（引發劑）引入水凝膠的内部，随後将水凝膠的“生長液”（預聚液）倒在水凝膠的表面。在滲透壓的作用下，水凝膠中的“生長激素”會向“生長液”中擴散，并在碰到“生長液”後觸發化學反應使其轉變為水凝膠。如圖4所示，在顯微鏡的實時監視下，水凝膠“生長液”随着“生長激素”的擴散逐步地變成水凝膠，初始水凝膠也随之不斷地生長、變大。

圖4. 水凝膠生長實時監控圖

得益于這種獨特且高效的水凝膠生長的方式，借助于模具，研究人員可以将含有不同染料的水凝膠“生長液”使用畫筆塗覆在不同的水凝膠表面，便可得到具有各種具有豐富彩色圖案的水凝膠（圖5a,b）。除此之外，這種高效的方法還可适用于諸如紙、衣物、豬皮以及瓜皮等親水的基底（圖5c），這大大地拓展了該方法的普适性。

圖5. a) 圖案化水凝膠制備示意圖 b) 不同凝膠基底生長圖案化水凝膠c)不同親水性基底生長圖案化水凝膠

基于仿壁虎的水凝膠生長策略，當水凝膠出現破損甚至斷裂的情況時，研究人員隻需将“生長液”倒入待修補的部位，等待一段時間後，新的凝膠就能在破損的位置重新生成（圖6a）。并且即使凝膠破損位置傷口不一緻，修複後的凝膠也可回複到與初始一樣的形狀及力學性能，即使我們用外力拉扯，凝膠也可以保持一樣的彈性（圖6b）。

圖6. a) 水凝膠修複示意圖 b) 水凝膠修複實物圖

如前文所述，水凝膠在使用的過程中常常會受到損傷，因此研究人員也為我們展示了這一過程。如圖7所示，一個具有六臂形狀的凝膠因在使用過程中其中的兩臂發生了斷裂而無法繼續使用。此時，研究人員首先通過浸泡的方式在受傷的部位引入水凝膠的“生長激素”，而後在受傷的位置塗覆上會發藍光的“生長液”。在等待一段時間後破損的兩臂逐漸地從受傷的位置慢慢生長出來。随後，研究人員更換了具有特殊變形功能的“生長液”，并且使用同樣的方法在新生長出來的兩臂的表面進一步生長得到了具有變形功能的新凝膠。最後，将修複後的凝膠重新放在熱水中，凝膠就能自發的站立起來并且還能緩慢地舉起左右雙臂。

圖7. 水凝膠形狀與功能的修複及其變形功能的展示

該工作實現了水凝膠高效的宏觀體積生長，并借此實現了對破損凝膠的定制化修補。因此，這一成果将有望顯著提升水凝膠驅動器及軟體機器人的耐用性，進而為具有環境适應性的軟體機器人的設計與制備提供堅實的基礎。

來源：中國科學院甯波材料技術與工程研究所

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