浙大团队提出新型形状记忆聚合物，无需依赖外部刺激即可实现复杂形状变化
浙大团队提出新型形状记忆聚合物，无需依赖外部刺激即可实现复杂形状变化
浙江大学赵骞教授团队提出了一种新型形状记忆聚合物，该材料能够在无外部刺激的情况下实现复杂形状变化。这种材料由醋酸钙配位交联的聚丙烯酸水凝胶组成，通过光照调控不同区域的形状回复起始时间，实现了自主多形状变形。
形状记忆聚合物在生物医学器件和软机器人等领域展现出广阔的应用前景。在生物医学领域，形状记忆聚合物能够使手术通过微创或介入的方式进行，从而显著降低手术带来的损伤。与形状记忆合金相比，聚合物材料具有更高的分子可设计性，变形量大，物性高度可调，易于加工成各种复杂形状，且成本更低。
在软机器人应用中，形状记忆聚合物不仅具备上述优势，还有助于减轻机器人整体重量，并使驱动方式更为多样化。近年来，随着学术界对形状记忆变形机理的理解不断深入，几乎所有能利用的刺激方式，包括热、光、电、磁、声、pH、特殊化学物质等，都有可能用来触发形状记忆聚合物的刺激响应变形。
图丨赵骞
针对传统形状记忆聚合物在实际应用中面临的挑战，浙江大学赵骞教授团队提出了一种"自主恢复行为"，能够在无外部刺激下执行复杂形状变化。他们采用区域化光照策略，精准控制材料不同部分的变形回复起始时间，从而在恒定环境下自主执行各个部位的顺序形状回复。
进一步地，基于光衰减效应在材料内部构建回复起始时间的梯度分布，通过简单的拉伸编程，便可以实现自主弯曲变形。利用有限元模拟指导光照图案化设计，就可以赋予材料复杂的自主多形状变形路径。
这种形状记忆聚合物材料的形状记忆变形原理是内部水分扩散主导的可逆相分离-相融合过程。材料的基础成分是醋酸钙配位交联的聚丙烯酸水凝胶，在加热时会发生剧烈的微相分离，导致模量的显著变化。在形状恢复过程中，水分子将逐渐扩散到聚合物富集相，并伴随模量的缓慢下降。
在模量下降的初期，材料形状仍保持不变，经过一段时间，模量下降积累到一定程度，形成才开始产生变化，导致了延迟变形现象。材料中的硝基肉桂酸酯基团，能够在紫外光控制下引发耦合反应，改变材料的相分离行为，从而可以通过光照调控材料各个区域形状回复的起始时间。
这种材料在合理条件下长期保存后，依旧能够稳定地实现形状记忆功能，具备良好的储存与使用稳定性。此外，该材料的编程方式简单，在无需外界刺激的情况下，就能实现自主多形状变形，展现出了显著的优势。
然而，赵骞也指出，这种方法在变形响应速度和起始时刻的精确性上仍存在一定的局限。另一方面，由于是水凝胶体系，在空气中使用时，可能会脱水导致变形不稳定。这些都是今后有待解决的问题。
这项研究以《由光调控的可图案化恢复起始点的形状记忆聚合物》（Shape Memory Polymers with Patternable Recovery Onset Regulated by Light）为题发表在Advanced Materials上。Jiacheng Huang 是第一作者，浙江大学陈冠聪博士和赵骞教授担任共同通讯作者。