響應(yīng)型水凝膠在軟濕驅(qū)動(dòng)器、人工肌肉、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。水凝膠驅(qū)動(dòng)器一般由響應(yīng)型水凝膠制備，具有不對(duì)稱(chēng)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)，在電、熱、光、pH 等刺激作用下，會(huì)發(fā)生體積或形狀變化。通過(guò)對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的抓取、釋放、行走等動(dòng)作，但耗時(shí)長(zhǎng)(一般需要數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí))。與工業(yè)中常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)相比，如何提高水凝膠驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化效率、提高驅(qū)動(dòng)速度，是水凝膠驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

肌肉是典型的柔性生物驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)收縮和快速伸長(zhǎng)而產(chǎn)生強(qiáng)大的爆發(fā)力，實(shí)現(xiàn)跳躍等動(dòng)作。受此啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員付俊團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新策略，利用基底對(duì)凝膠形變的約束，積累彈性能，并利用界面不穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)能量的爆發(fā)性釋放，驅(qū)動(dòng)水凝膠實(shí)現(xiàn)可控跳躍。

研究人員制備了黏土交聯(lián)和增強(qiáng)的溫敏雙層水凝膠，通過(guò)調(diào)控材料配比，可調(diào)控各層的臨界相容溫度(LCST)。在反復(fù)升溫和降溫過(guò)程中，雙層凝膠因各層的溶脹/消溶脹性質(zhì)差異而發(fā)生可逆變形、卷曲。在此過(guò)程中，因溶脹程度差異而導(dǎo)致凝膠內(nèi)產(chǎn)生的彈性能得以緩慢釋放。研究發(fā)現(xiàn)，納米復(fù)合凝膠在多種金屬基底上具有較強(qiáng)的黏附性，與鑄鐵、鋁、不銹鋼、銅基板之間的黏附能可分別達(dá)到17.6、12.8、12.8、7.6 J/m2。將凝膠粘附在鋁基板上，可承受較大的拉力。在拉伸過(guò)程中，隨著凝膠發(fā)生形變，內(nèi)部不斷積累彈性能；當(dāng)凝膠內(nèi)積累的彈性能高于界面粘附能時(shí)，凝膠瞬間滑脫，并在40 ms內(nèi)回彈。

研究人員巧妙地將溫度響應(yīng)行為與界面黏附特性結(jié)合，設(shè)計(jì)制作了具有棘齒結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)軌，利用凝膠與金屬之間的黏附作用，通過(guò)棘齒結(jié)構(gòu)約束凝膠的形變。在升溫過(guò)程中，凝膠發(fā)生不對(duì)稱(chēng)收縮，產(chǎn)生彎曲傾向；而導(dǎo)軌的棘齒結(jié)構(gòu)阻礙凝膠彎曲變形，凝膠內(nèi)部彈性能逐漸積累。當(dāng)彈性能超越界面黏附能，凝膠瞬間脫離導(dǎo)軌，彈性能快速釋放，驅(qū)動(dòng)凝膠跳躍。

該研究突破了傳統(tǒng)響應(yīng)型水凝膠的驅(qū)動(dòng)速度受水分子在凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)擴(kuò)散速率制約的問(wèn)題，揭示了一種基于彈性能儲(chǔ)存和爆發(fā)性釋放實(shí)現(xiàn)水凝膠快速可控驅(qū)動(dòng)的新策略，為高性能柔性驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展提供了全新的思路和視角。