自然界的動植物出于捕食、避險等生命活動的需求，千萬年來逐漸演變出豐富多彩的形態以及變化多端的形態轉變。形變高分子水凝膠由于能在外界刺激下將外界能量轉化為自身的機械能并產生大尺度的形態變化，因此受到了國內外學者的廣泛關注。作為一種具有軟、濕特性的新興智能材料，由于其具有良好的生物相容性以及豐富的分子設計，被認為是實現仿生形變的理想材料。盡管經過多年的發展，形變高分子水凝膠的變形方式已經從單一的體積轉變演變為更復雜的彎曲、扭轉以及螺旋等形態轉變，但是對于如何實現可編程、程序化的形變即讓水凝膠能根據應用需求“隨心而動”，依然是研究熱點。中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料課題組陳濤研究員與張佳瑋研究員近年來致力于仿生形變高分子水凝膠的研究 （Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670；Chem. Sci. 2016, 7, 6715；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1704568；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58,16243；Research, 2019, 2384347；Adv. Funct. Mater., 2019, 1905514；Small 2020, 16, 2005461; Adv. Intell. Syst. 2020, 2000208; Adv. Mater., 2020, 32, 2004290；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59,19237；Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60,3640等）。近期，該團隊受邀在Chemical Science發表題為“Recent progress in shape deformation of polymeric hydrogels from memory to actuation”的綜述（Chemical Science, 2021, DOI: DOI:10.1039/D0SC07106D），對該可編程仿生形變高分子水凝膠的發展進行系統總結與展望。

該綜述根據高分子凝膠的形變特點將其分為形狀記憶水凝膠以及水凝膠驅動器。前者可以在外力作用下變形并通過超分子作用、可逆動態鍵等方式記憶臨時形狀，隨后在外界的刺激下實現從臨時形狀到初始形狀的變形過程；而水凝膠驅動器則可在外界的刺激下，利用自身分子結構的刺激響應性通過其內部網絡各向異性的收縮實現變形。由于形狀記憶水凝膠可以記憶多種臨時形狀，因此當使用外力賦予其編程化的形狀后，形狀記憶水凝膠便可通過形狀回復的過程實現水凝膠程序化變形。除此之外，還可通過制備具有多重刺激響應行為的形狀記憶水凝膠，賦予水凝膠多個編程化的臨時形狀，實現水凝膠多個形狀間的程序化變形。而實現水凝膠驅動器程序化變形的方式主要通過水凝膠制備的過程編程各向異性以及在水凝膠制備完成后編程各向異性結構。目前主要采用逐步聚合和光掩模板的方式在水凝膠制備的過程中對其各向異性結構進行編程，而采用模塊化組裝以及離子印染的方法在水凝膠制備后通過拼接組裝對其各向異性結構進行編程。近期，科研人員還將形狀記憶水凝膠優異的可編程性以及水凝膠驅動器優異的自變形能力相結合制備得到同時具有形狀記憶與驅動功能的智能變形，利用形狀記憶賦予水凝膠多個臨時的各向異性結構，通過驅動過程實現水凝膠可重復編程、程序化變形。

得益于可編程、程序化的變形能力，智能變形凝膠不再局限于智能抓手、閥門系統以及人工肌肉等傳統的應用領域，而可進一步被應用于軟體機器人、仿生系統以及信息存儲與加密等領域。例如，基于可程序化的變形，智能變形凝膠可以將自身變形行為轉變成運動行為，從而制備具有運動功能的軟體機器人；基于水凝膠良好的生物相容性以及軟、濕特性，智能變形凝膠可通過變形轉變自身表面結構從而制備仿生章魚抓手等一系列仿生系統；最后，基于水凝膠良好的分子可設計性，智能變形凝膠還可與熒光凝膠相結合，通過變形與熒光功能的協同在水凝膠體系中實現信息的多重加密與解密。

盡管在過去的十多年中，仿生形變高分子水凝膠在結構設計、功能展示以及應用等多方向都獲得了快速的發展，但它依然是一個充滿機遇與挑戰的領域?；谛巫兏叻肿铀z的研究，未來其需要在保持如今優異變形能力前提下大幅增強其自身的機械性能以適應在現實生活中的應用；需要探索能高效地將變形行為轉化為運動行為的結構；最后需要構建變形過程的反饋系統，使得其變形過程能更好地被監控并反饋進一步的變形行為。

圖丨仿生形變高分子水凝膠的分類及其最新應用

這項工作得到了國家自然科學基金（51873223、52073295、中德中心交流項目M-0424）、中科院青促會（2017337、2019297）、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、王寬誠教育基金會（GJTD-2019-13）和中國博士后科學基金（2020M671828）等項目的支持。