復(fù)合水凝膠實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng)的通常原理是利用凝膠中不同材料的膨脹不同，進(jìn)而產(chǎn)生不同的形變，例如起皺、起皺、彎曲、屈曲。但是這些復(fù)合水凝膠通常有一個(gè)連續(xù)的表面，幾何連續(xù)性導(dǎo)致相鄰區(qū)域之間的位移相對(duì)有限，從而導(dǎo)致較小的變形幅度。受到剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，人們引入切口來(lái)打破連續(xù)性以解決上述問(wèn)題，即剪紙（kirigami）方法。該方法通過(guò)多步形狀記憶和外力相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)形之間的轉(zhuǎn)換。研究還表明，基于剪紙結(jié)構(gòu)的聚對(duì)二甲苯薄膜可以均勻的包裹老鼠的心臟，從而增強(qiáng)柔性電子元件的傳感功能。這些結(jié)構(gòu)通常是通過(guò)被動(dòng)地施加機(jī)械力來(lái)實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)。然而，借助外力限制了這些可變形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
近日，浙江大學(xué)吳子良等人設(shè)計(jì)了一種具有剪紙結(jié)構(gòu)的復(fù)合水凝膠，實(shí)現(xiàn)材料可編程的變形。研究人員通過(guò)引入一系列切口，分離復(fù)合凝膠相鄰單元的幾何連接，使響應(yīng)凝膠條帶具有較高的變形自由度和較大的變形幅度。并制作了一個(gè)多觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，展示了這種具有多穩(wěn)態(tài)變形能力的復(fù)合水凝膠的潛在應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬都表明這種變形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想和控制策略對(duì)其它智能材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。
【圖文詳解】
設(shè)計(jì)思路以圖1為例進(jìn)行說(shuō)明，矩形框架是剛性水凝膠，以限制軟而高膨脹凝膠條在平面內(nèi)膨脹；鉸鏈?zhǔn)擒涃|(zhì)不膨脹凝膠，作用是將高膨脹凝膠條與剛性框架連接起來(lái)。這樣，四個(gè)高膨脹凝膠條就可以由矩形框架連接得到交叉形狀，形成一個(gè)多重穩(wěn)定的組合。
在沒(méi)有預(yù)處理的情況下，四條凝膠條在膨脹后向同一方向彎曲，使總彈性能最小化（圖1b）。而通過(guò)預(yù)脹步驟控制每個(gè)高膨脹凝膠條的屈曲方向后，相同的復(fù)合水凝膠則可以實(shí)現(xiàn)不同的構(gòu)象（圖1c，d）。因此，該方法可以產(chǎn)生相對(duì)較大的反射振幅，并且通過(guò)預(yù)處理，達(dá)到預(yù)期的變形效果。
研究人員將此策略應(yīng)用于柔性電子，設(shè)計(jì)了一個(gè)多觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)以控制LEDs。電路如圖3所示，兩層構(gòu)件的膨脹方向決定了電極的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，這導(dǎo)致了發(fā)光二極管的四種可能組合。
此外，對(duì)高膨脹凝膠條賦予形狀手性可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。如圖4所示，在水中膨脹后，彎曲的凝膠條經(jīng)過(guò)平面外的膨脹和扭轉(zhuǎn)后，會(huì)導(dǎo)致中心方形凝膠順時(shí)針旋轉(zhuǎn)15°。這種旋轉(zhuǎn)也可以疊加在多層結(jié)構(gòu)中，獲得具有局部旋轉(zhuǎn)的不同構(gòu)型。
【結(jié)論】
在水凝膠中，借助剪紙結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)變形的例子較為少見(jiàn)，研究人員提出的這種概念和策略也適用于其他智能材料，相信未來(lái)在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和軟體機(jī)器人中也將有一定的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)內(nèi)容以“Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch”為題發(fā)表在Advanced Materials.
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