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董彬教授课题组及其合作者在Nature Communications上发表论文

软体致动器是可以将外部刺激转换为机械能的智能器件,在传感器、机器人、人造肌肉、生物医学等领域具有广阔的应用前景。作为软体致动器的一种,水凝胶致动器不仅在外界环境的刺激下可以实现10倍以上的体积变化,而且其本身所具有的生物可兼容性、可降解特性使其在可控药物输运、组织工程学、智能开关等方面特别有用。目前,水凝胶致动器在外部环境(例如:化学物质,温度,湿度,电场,光,等等)的刺激下可以实现行走、蠕动、滚动、抓取等功能。然而,水凝胶致动器的驱动主要依赖于水凝胶内外部渗透压的变化而导致的水凝胶自身体积的膨胀和收缩的过程,该过程不仅使水凝胶致动器必须要在有水的环境中运行,而且还导致了水凝胶致动器具有运动速度慢、响应时间长等诸多劣势,极大的制约了水凝胶致动器的实际应用。因此,如何实现在空气中高速驱动、快速响应的水凝胶致动器是这一研究领域的重大挑战。

针对这一难题,近日,纳米科学技术学院董彬教授与德国马普智能所Metin Sitti教授合作,以“In-air fast response and high speed jumping and rolling of a light-driven hydrogel actuator“为题在《Nature Communications》上发表论文。课题组利用丙烯酸钠水凝胶和四氧化三铁纳米粒子这两种组分之间的相互协同作用实现了水凝胶致动器在空气中的快速响应(800 ms)以及高速驱动(高达1.6 m/s)。

通过调节激光在水凝胶致动器上的照射位置,可以控制致动器的运动方式、运动方向、轨迹和运动速度,实现了对水凝胶致动器运动的精确调控。在此基础上,还实现了水凝胶致动器在多种不同地形以及多种环境下的高效驱动。这一工作不仅为设计具有优异运动性质的软体致动器提供了新思路而且进一步为其在生物医疗方面的应用铺平了道路。


董彬课题组的博士生李明通为本文的第一作者,王鑫为本文的并列第一作者。本工作得到国家重点研发计划(2018YFE0306105)和国家自然科学基金资助(21574094)的资助。

作者信息:Mingtong Li, Xin Wang, Bin Dong*Metin Sitti*

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17775-4

董彬教授课题组链接:http://funsom.guntechinc.com/7f/a8/c2735a32680/page.htm


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