DOI: 10.1016/j.cej.2021.130879

柔性致动器使软材料，例如生物体、生物材料和柔性材料，能够在多个刺激同时存在的环境中运动。尽管存在各种快速、可逆和方向引导型致动器，但其材料和结构的复杂性阻碍了致动器简易制备平台的构建，其可响应于不同的环境条件，并且具有可逆和受控的致动动力学特性。在本文中，作者提出了一种结合静电纺丝和水凝胶光刻技术的工程化多响应致动器制备平台。所制备的软致动器由作为活性层的刺激响应水凝胶纤维、作为被动层的非响应纤维和用于结合上述材料层的微图案水凝胶耦合层组成。研究表明，在不到2分钟的时间内，致动器对pH和温度变化的响应是可逆弯曲和不弯曲的。通过计算建模阐明了分层致动器的弯曲机制并获得了确定其特性的关键参数。通过调节致动器材料的力学性能和水凝胶微图案的尺寸来调节弯曲方向。该制备过程是通用的，多响应致动是通过添加另一个活性纤维层且不对其进行修饰来实现的。本研究为设计一种刺激特异性、多尺度、多功能软致动器提供了坚实的理论基础。

图1.由PAA/PCL纤维层和水凝胶微图案组成的软致动器的制备。（a）致动器的俯视图和SEM图像（比例尺：100μm）。（b）致动器的侧视图和SEM图像（比例尺：100μm）。（c）荧光图像显示致动器中的PCL和PAA层（比例尺：200μm）。（d）致动器组件（PCL层、PAA层和PEG水凝胶）的杨氏模量。

图2.PAA/PCL分层致动器在低和高pH值下的致动性能（比例尺：1cm）。

图3.致动器的计算建模。（a）由活性层（红色）、无源基板（浅蓝色）和PEG水凝胶微图案（蓝色）组成的致动器的侧视图。w和E分别代表图案的宽度和杨氏模量。RE是活性层与耦合层的E比值。Rw是活性层与耦合层的图案宽度比。（b）致动器的弯曲性能。k⊥是垂直于图案方向的弯曲曲率。k∥是平行于图案方向的弯曲曲率。（c）当Rw=1，RE值不同时，随时间变化的弯曲曲率k⊥和k∥。

图4.在计算机模拟中致动器弯曲度与RE和Rw的函数关系。（a）在不同RE和Rw下，致动器最终状态下的弯曲度。（b）显示k⊥/k∥的曲率比与RE和Rw的函数关系的3D图以及（c）热图。在热图中，致动器的弯曲度分为3个阶段：垂直（正方形）、中间（三角形）和平行弯曲（圆形）。符号⊥和∥分别代表垂直和平行于图案方向的弯曲方向。颜色条表示k⊥/k∥曲率比的大小。

图5.PAA/PCL分层致动器的致动分析。（a）致动器暴露于两种不同pH值下的弯曲度（比例尺：1cm）。（b）致动器随时间变化的弯曲曲率。（c）致动器随pH值变化的弯曲曲率。（d）PAA/PCL分层致动器曲率的重复性变化，以响应pH1和pH13之间的交替变化。（e）当活性PAA层的厚度不同时致动器的弯曲曲率。

图6.PAA/PCL分层致动器的方向引导。（a）水凝胶微图案方向对弯曲致动的影响（比例尺：1cm）。（b）具有不同水凝胶图案的三叶花致动器的致动性能（比例尺：1cm）。

图7.PNIPAAm/PCL分层致动器的温度响应驱动。（a）随温度变化的驱动性能（比例尺：1cm）。显示对应于每种温度的三种不同致动状态。（b）六叶花致动器根据温度显示开/关（比例尺：1cm）。

图8.PAA/PNIPAAm/PCL分层致动器取决于不同pH值和温度的多重响应致动（比例尺：1cm）。

图9.使用PAA/PCL分层致动器操纵物体的概念实验。（a）“提起并放下”和（b）“抓住并松开”概念致动。