DOI: 10.1016/j.cej.2021.134258

作为一种软/湿智能材料，具有多种刺激响应能力的水凝胶致动器得到了深入的研究。然而，目前仍然很难将双/多响应性整合在一起以实现仿生协同驱动。在此，研究者通过静电纺丝技术探索出一种具有P（NIPAM-ABP）层和Fe3O4/PAN层的高强度各向异性双层水凝胶致动器，其可以提供可编程的双功能协同运动。由于Fe3O4纳米粒子的磁性，Fe3O4/PAN层可以为远程传输提供磁响应导航。此外，Fe3O4/PAN层中Fe3O4纳米粒子的超高光热转换效率赋予了P（NIPAM-ABP）层快速的遥控光热响应变形。最重要的是，这种水凝胶致动器基于远程控制变形和远程运输的协同作用，能够实现更高级别的复杂可编程运动，可用于设计各种新型仿生软机器人。最后但同样重要的是，静电纺丝的引入，不仅可以使这种双层水凝胶具有高强度（4.59MPa的拉伸强度），而且可以提供超快（178°/s）和可编程的复杂光热响应，上述优势可分别归因于热响应P（NIPAM-ABP）纳米纤维的超高比表面积（超薄多孔结构）和优异的取向性。综上，本研究通过静电纺丝技术构建出一种具有双/多功能协同作用的各向异性水凝胶致动器，为智能致动器和其他仿生智能材料/体系的设计提供了一种新策略。

图1.（a）P（NIPAM-ABP）水凝胶纤维膜的SEM图像。（b）2.5-Fe3O4/PAN复合膜的SEM和TEM图像。（c）Fe3O4纳米颗粒、空白PAN层和Fe3O4/PAN复合层之间Fe元素EDS映射的比较。（d）P（NIPAM-ABP）纤维在轴向和径向上的尺寸收缩与温度之间的关系，以及PAN膜在轴向和径向上的尺寸收缩与温度之间的关系。（e）FPP复合水凝胶与两种单层水凝胶的机械强度比较。

图2.（a）2.5-Fe3O4/PAN复合纤维膜和纯PAN纤维膜的紫外-可见光谱及其照片。（b）在不同的NIR功率下将2.5-Fe3O4/PAN膜加热到50℃所需的时间。（c）掺杂不同量Fe3O4纳米粒子的Fe3O4/PAN膜经不同强度的近红外光照射，膜的温度在20s内升高。

图3.（a）2.5-1FPP复合水凝胶致动器在NIR光下的弯曲及其在10℃水中关闭NIR后的恢复。（b）致动器在冷水和NIR下反向弯曲的有限元模拟。（c）Fe3O4/PAN的静电纺丝时间与致动器从-360°弯曲到+360°的响应时间和变形恢复时间之间的关系。（d）执行器在NIR下的弯曲速度和在冷水中的恢复速度。（e）2.5-1FPP复合水凝胶弯曲和恢复的循环性能测试。（f）光热弯曲响应速度的比较以及（g）与其他文献中报道的PNIPAM基水凝胶致动器的恢复速度和厚度的比较。（h）在3W近红外辐射下，水凝胶海马通过尾部快速固定的照片。（光强度=2.65W/cm2。比例尺=3mm）

图4.（a）在10℃的水中以及近红外光辐照下于不同角度（沿纤维轴向0°、±30°、±60°、±90°）切割FPP复合水凝胶后水凝胶的变形过程。（b）2.5-1FPP复合水凝胶致动器在近红外光辐照下弯曲的有限元模拟图，该水凝胶是在+30°和+60°下切割后形成的。（c）水凝胶花瓣闭合过程的示意图。（d）通过有限元方法模拟水凝胶花的闭合过程。（FPP复合水凝胶致动器由罗丹明B染色。光功率=3W，比例尺=5mm）

图5.（a，b）2.5-1FPP复合水凝胶的滞后回线。（c）2.5-1FPP复合水凝胶致动器由永磁体牵引以进行直线运动。（比例尺=2cm）

图6.（a）货车运输货物的示意图。（b）水凝胶致动器装载、运输和卸载货物的过程。（光功率=3W，比例尺=2cm）

图7.（a）抓娃娃机抓取玩偶的过程示意图，（b）水凝胶抓娃娃机的夹具抓取和释放280mg重物的过程示意图。（光功率=5W，比例尺=8mm）