“行走”的水凝胶——可像人工肌肉一样伸缩

最近，一个日本理研中心（RIKEN）的科学家小组在《Nature Materials》上刊文，他们开发的一种新型水凝胶，能够像人造肌肉一样随着温度的变化不断的收缩或伸展。他们还通过将这种聚合物材料设计成L形，使之能够随着温度的反复升高而慢慢前行。

Credit: Kim et al.

这种水凝胶聚合物的网格结构能够保存大量水分，这也使它们能随着环境条件（例如电压、热和酸度）的变化膨胀和收缩。这种特性其实也类似植物的细胞，它们也能据外界环境的变化来改变其中的水量，以此来改变形状。

对于已知的大多数水凝胶而言，改变形状不难，但能迅速地改变形状则很不容易，其中还需要经过吸水和排水的过程来扩大或缩小体积。而由RIKEN团队开发的这种水凝胶的独特之处在于，它就像一个人造肌肉，并不会在各个方向同时均匀地收缩或膨胀，而是一个方向上收缩，另一个方向上膨胀。而且它们不需要吸水或排水就能重复地改变形状。此外，研究人员还惊讶地发现，这种变形速度非常快，只需要一秒钟，每秒的变形率约为70%，这比其它已经出现的水凝胶的速度都要快。

为了演示该聚合物的实际应用，研究人员将聚合物设计成L形，并放置在水下，随着温度的变化，这种L形水凝胶能“迈开腿”稳稳地行走。

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随着温度的变化水环境下的水凝胶

这种新型水凝胶之所以具备这样的性质，原因在于静电荷。通过使用他们自己开发的方法，研究人员把金属氧化物纳米片悬浮在水胶体分散体中，并在磁场作用下使其排列在一个平面上，接下来通过光引发的原位聚合形成水凝胶。纳米片的这种结构使水凝胶内产生了巨大的各向异性静电斥力，而温度变化会引起静电介电常数变化，导致各向异性静电斥力的变化，最终的结果就是水凝胶的快速收缩和伸展。

Ishida说，“我们正在筹划下一步的工作，以提高这一物质的性能。其中的一个想法是使用类似这样的水凝胶来制造人造肌肉，使其能随着温度的升降来自动开启和关闭散热器系统。这可以用来防止器件过热。”

1. https://www.nature.com/articles/nmat4363 

2. http://phys.org/news/2015-08-hydrogel-heat-driven-muscle.html