在自然界中生物能夠?qū)ν饨绱碳ぷ龀龇磻?yīng)并產(chǎn)生特定的形狀變化，這種響應(yīng)行為對(duì)生物體的生存和繁衍至關(guān)重要。在眾多材料中，水凝膠因其模量適中，刺激響應(yīng)條件多樣以及生物相容性好等因素而引起了廣泛關(guān)注。隨著仿生學(xué)以及材料科學(xué)的發(fā)展，能夠感知和響應(yīng)外部刺激的智能水凝膠致動(dòng)器在軟體機(jī)器人、傳感和遠(yuǎn)程操控等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。目前，微加工技術(shù)已經(jīng)將響應(yīng)型水凝膠致動(dòng)器的尺寸縮小到微米級(jí)。然而，如何在微尺度下構(gòu)建能夠?qū)?fù)雜的微環(huán)境進(jìn)行多重響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員鄭美玲團(tuán)隊(duì)在雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器的研究工作中取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)非對(duì)稱飛秒激光直寫加工制備了一種雙刺激協(xié)同響應(yīng)的水凝膠微致動(dòng)器。該水凝膠微結(jié)構(gòu)對(duì)pH／溫度的雙重協(xié)同響應(yīng)是通過(guò)添加功能單體2－（二甲基氨基）乙基甲基丙烯酸酯實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)水凝膠微結(jié)構(gòu)的拉曼光譜分析，解釋了不同pH和溫度下協(xié)同響應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，并且展示了由pH或溫度控制的聚苯乙烯微球的捕獲。該研究為設(shè)計(jì)和制造可控的微尺度致動(dòng)器提供了一種策略，并在微機(jī)器人和微流體中具有應(yīng)用前景。研究成果發(fā)表于Small 。

飛秒激光直寫加工技術(shù)由于具有超高的空間分辨率、三維加工能力和無(wú)需實(shí)體掩膜等特點(diǎn)，被廣泛用于制備各種三維微結(jié)構(gòu)。研究人員利用含有功能單體的光刻膠，通過(guò)調(diào)整激光功率、掃描速度和掃描策略實(shí)現(xiàn)了具有不對(duì)稱交聯(lián)密度的雙重響應(yīng)水凝膠微結(jié)構(gòu)的制備（圖1）。

進(jìn)一步地，研究人員制備了含有三個(gè)不對(duì)稱微臂的微致動(dòng)器來(lái)提高對(duì)不同環(huán)境的刺激響應(yīng)能力。該微致動(dòng)器由三個(gè)交聯(lián)密度交替分布的微臂組成。為了更加方便地展示水凝膠微致動(dòng)器在不同溫度及pH條件下的可控性，研究還使用了直徑10微米的聚苯乙烯微球作為目標(biāo)顆粒在不同條件下進(jìn)行捕獲（圖2）。

此外，研究人員還描述了一種具有雙刺激協(xié)同響應(yīng)特性的微致動(dòng)器（圖3），其具有的更為豐富的形狀變化是由溫度升高時(shí)的氫鍵斷裂與酸性條件下叔胺基的質(zhì)子化同時(shí)作用產(chǎn)生的。該研究提出的雙重刺激協(xié)同響應(yīng)特性相較于單一響應(yīng)刺激賦予了微制動(dòng)器更大的可操控性，這一特性使其在微操縱和微型軟體機(jī)器人方面具有潛在應(yīng)用。

圖1?雙刺激協(xié)同響應(yīng)型水凝膠微致動(dòng)器的制備與響應(yīng)機(jī)制

圖2?雙重刺激響應(yīng)型水凝膠微致動(dòng)器的捕獲行為

圖3?水凝膠微致動(dòng)器的雙重刺激協(xié)同響應(yīng)特性