受植物细胞膨胀启发的可令砖石碎裂的软性水凝胶致动器

受植物细胞膨压（它能让植物支撑其机体）特性的启发，研究人员对一种水凝胶进行了改性，令其能迅速膨胀到足以将一刚性砖块碎成两半，并在几分钟内构建复杂的水下结构。研究人员设计的该水凝胶促成了一种独特的基于水凝胶的强韧快速致动器，它在软机器人、可调谐光学和生物医学等领域中都可能具有用途。由于其冗长的材料独特属性列表，水凝胶是有前途的（特别是用于软机器人设计的）软性致动器材料；它们是可将各种形式能量转化为物理运动的部件。它们还可以在生物医学应用中很好地弥补合成致动器和生物系统之间的缺口。然而，传统的软性水凝胶驱动器通常因为其渗透压驱动的致动机制而存在驱动力弱和响应速度慢等问题。此外，这些材料本身在高应力和压力下也容易失效。为了解除这些关键性限制，Hyonuk Na和同事介绍了一种基于植物细胞强膨压而产生快速有力水凝胶致动器的方法。膨压是局限于植物细胞壁内的由渗透压驱动的静水压力。它能让软性植物细胞支撑高大的植物机体，并因其根系生长而使岩石碎裂。Na等人在创制了一种包裹于某种刚柔兼具半透膜中的水凝胶，该半透膜可控制并限制水凝胶的渗透膨胀，从而生成730牛顿（N）的致动力，后者比现有的水凝胶致动器的致动力高3个数量级。作者显示，这种力量足以使砖碎裂（见相关视频）。他们还在水中用该致动器演示了希腊寺庙和圆顶小屋状结构的快速建造（见相关视频）。Na等人还证明，用电渗法可大大提高致动速度，从而将致动时间从一个多小时缩短到几分钟。Zhen Jiang 和Pingan Song在一篇相关的《视角》中写道：“Na等人为水凝胶驱动力的最大化开辟了一条令人兴奋的途径。这种结合了超高致动力、高压缩性和能快速响应的膨胀水凝胶或能有助于加速开发可承受水下高压的下一世代的水中软性机器人。”