復合水凝膠實現(xiàn)智能響應的通常原理是利用凝膠中不同材料的膨脹不同，進而產(chǎn)生不同的形變，例如起皺、起皺、彎曲、屈曲。但是這些復合水凝膠通常有一個連續(xù)的表面，幾何連續(xù)性導致相鄰區(qū)域之間的位移相對有限，從而導致較小的變形幅度。受到剪紙藝術的啟發(fā)，人們引入切口來打破連續(xù)性以解決上述問題，即剪紙（kirigami）方法。該方法通過多步形狀記憶和外力相結合來實現(xiàn)不同構形之間的轉換。研究還表明，基于剪紙結構的聚對二甲苯薄膜可以均勻的包裹老鼠的心臟，從而增強柔性電子元件的傳感功能。這些結構通常是通過被動地施加機械力來實現(xiàn)3D結構。然而，借助外力限制了這些可變形結構的應用。
近日，浙江大學吳子良等人設計了一種具有剪紙結構的復合水凝膠，實現(xiàn)材料可編程的變形。研究人員通過引入一系列切口，分離復合凝膠相鄰單元的幾何連接，使響應凝膠條帶具有較高的變形自由度和較大的變形幅度。并制作了一個多觸點開關，展示了這種具有多穩(wěn)態(tài)變形能力的復合水凝膠的潛在應用。實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬都表明這種變形結構的設計思想和控制策略對其它智能材料在不同領域的應用具有一定的參考價值。
【圖文詳解】
設計思路以圖1為例進行說明，矩形框架是剛性水凝膠，以限制軟而高膨脹凝膠條在平面內膨脹；鉸鏈是軟質不膨脹凝膠，作用是將高膨脹凝膠條與剛性框架連接起來。這樣，四個高膨脹凝膠條就可以由矩形框架連接得到交叉形狀，形成一個多重穩(wěn)定的組合。
在沒有預處理的情況下，四條凝膠條在膨脹后向同一方向彎曲，使總彈性能最小化（圖1b）。而通過預脹步驟控制每個高膨脹凝膠條的屈曲方向后，相同的復合水凝膠則可以實現(xiàn)不同的構象（圖1c，d）。因此，該方法可以產(chǎn)生相對較大的反射振幅，并且通過預處理，達到預期的變形效果。
研究人員將此策略應用于柔性電子，設計了一個多觸點開關以控制LEDs。電路如圖3所示，兩層構件的膨脹方向決定了電極的開/關狀態(tài)，這導致了發(fā)光二極管的四種可能組合。
此外，對高膨脹凝膠條賦予形狀手性可以實現(xiàn)平臺的旋轉。如圖4所示，在水中膨脹后，彎曲的凝膠條經(jīng)過平面外的膨脹和扭轉后，會導致中心方形凝膠順時針旋轉15°。這種旋轉也可以疊加在多層結構中，獲得具有局部旋轉的不同構型。
【結論】
在水凝膠中，借助剪紙結構來實現(xiàn)多穩(wěn)態(tài)變形的例子較為少見，研究人員提出的這種概念和策略也適用于其他智能材料，相信未來在柔性電子、生物醫(yī)學設備和軟體機器人中也將有一定的應用價值。相關內容以“Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch”為題發(fā)表在Advanced Materials.
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