变形材料（morphing materials）的研究对医疗器械、软机器人等领域具有重要意义。在这之前，简单的基本变形单元如弯曲、折叠、扭转、屈曲已被清楚研究，而复杂的变形则通过堆叠这些基本变形结构来实现，每一个变形单元都在整个材料最终形状中得到相应体现。要在同一凝胶中实现多种构型需要引入多种不同响应性的聚合物，在不同的外界刺激下实现不同构型的转换。相比较而言，厚度方向梯度引起的弯曲（bending）变形有特定方向，而平面方向梯度可以引起向上或者向下的屈曲（buckling）变形，且两者概率几乎相同。复合水凝胶如果有n个屈曲单元，理论上可以形成2ⁿ个构型。然而屈曲方向的随机性使控制最终形状变得困难，难以获得特定的亚稳态构型。如何控制复合水凝胶中局部屈曲的方向，从而得到特定的构型仍是一个巨大挑战。

郑强教授研究团队吴子良副教授通过局部预溶胀法来引入暂时性的厚度方向梯度，从而控制后续屈曲方向以及最终的三维构型，其过程如图1所示。通过光模板法将高溶胀水凝胶嵌入不溶胀水凝胶中，得到含有平面梯度的图案化水凝胶。如果直接浸入水中，由于较低的弹性应变能，6个屈曲单元全部朝向同一侧突起，整体呈现卷曲形状。而通过预溶胀法，在凝胶两侧贴上含孔模板，浸入水中后，孔下方的凝胶得到局部溶胀，形成暂时性的厚度方向梯度。当去掉含孔模板，该厚度梯度使每个单元朝着特定方向弯曲；这种临时弯曲变形被后续溶胀导致的平面内溶胀差异所引起的屈曲变形接管，形成稳定的三维构型。

图1. 局部预溶胀法控制图案化凝胶变形示意图。（a-c）通过光模板法制备局部含有高溶胀率水凝胶的复合体系（a-c）。当图案化水凝胶直接浸入水中后，局部发生同方向的面外屈曲变形，整体呈卷曲形状（d）。（e-g）而在自由溶胀前，通过含孔模板控制局部预溶胀，从而调控后续自由溶胀过程中的局部屈曲变形的方向，得到特定的三维构型。

通过合理设计基本屈曲单元的数量、空间分布以及含孔模板的样式，采用预溶胀方法可以得到各种各样的特定形状的水凝胶（图2）。在高浓度盐溶液中，图案化凝胶的溶胀差异消失，使构型恢复至平整状态，再利用不同的含孔模板控制预溶胀，可以使水凝胶在相同条件下得到不同的构型。

图2. 预溶胀法控制不同图案化凝胶的变形。图案化凝胶（i）浸入水中溶胀平衡所得到构型（ii），而使用不同含孔模板（左下方嵌入图为所用模板示意图）可以得到其它三维构型（iii，iv）。上侧为实验照片，下侧为理论模拟图。标尺：1 cm。

此研究提供了一种简单直接的方法来控制变形过程以得到预期的构型，将有利于扩展自变形材料在传感器、驱动器等领域的应用。论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.，第一作者为硕士生王志健，数值模拟部分由爱荷华州立大学洪伟副教授完成；该工作得到了国家自然科学基金、教育部留学回国人员科研启动基金和“青年千人计划”项目的资助。 

相关论文：

Zhi Jian Wang, Wei Hong, Zi Liang Wu, Qiang Zheng, Site-Specific Preswelling-Directed Morphing Structures of Patterned Hydrogels, Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201708926.

https://doi.org/10.1002/anie.201708926