材料科学家的目标是开发自主材料，其功能超越刺激响应驱动。在《科学进展》杂志上的一篇新报告中，杨阳和美国西北大学仿生能源科学中心的研究团队开发了光激活和电激活水凝胶，用于捕获和运送货物并避开返回时的障碍物。

为了实现这一目标，他们在水凝胶中使用了两种螺吡喃单体(光开关材料)，以在恒定电场下实现光调节电荷反转和自主行为。光/电活性材料可以根据持续的外部刺激自主执行任务，以开发分子尺度的智能材料。

带电水凝胶的生物工程

具有逼真功能的软材料作为复杂动态环境中的智能机器人材料具有广阔的应用前景，在人机界面和生物医学设备中具有重要意义。杨和同事设计了一种光激活和电激活的水凝胶，基于可见光和外加电流的持续刺激，可以捕获和运送货物、避开障碍物并返回出发点。这些恒定的条件提供了引导水凝胶的能量。

研究小组将具有不同取代基的螺吡喃部分共价整合到结构中，以调节软材料的净电荷。他们使用有限元模拟来指导带电水凝胶的设计和运动，并设计3D表面轮廓，以最大限度地提高介电泳效果。杨和团队进一步研究了螺吡喃水凝胶的电活性运动和光致动范围。

螺吡喃官能化聚合物的电荷反转

杨和同事使用了两种具有不同净电荷的不同螺吡喃分子。他们根据现有报告合成了每个带有可聚合甲基丙烯酸酯基团的分子。

他们将不同比例的螺吡喃分子掺入N-异丙基丙烯酰胺聚合物链(PNIPAM)中以形成水凝胶。在这种情况下，他们使用螺吡喃结构单元的共聚物调整电荷反转功能，以显示光可切换电势和具有可调电荷的电荷可逆行为。科学家们通过改变两个螺吡喃部分的比率来调整电荷反转时间，而不改变切换和恢复率。

螺吡喃-PNIPAM水凝胶的光激活电活性运动

基于聚合物的电荷反转行为，杨的团队通过使用交联剂来制备电活性水凝胶。

首先，研究小组可以使水凝胶带正电，在直流电场下向阴极移动，其中正电荷从螺吡喃部分转移到水凝胶网络中。此后，聚合物链上永久结合的磺酸基团使构建体的净电荷为负，从而允许带负电的水凝胶导航回阳极。

研究小组研究了水凝胶盘在多个光暗循环中的光调节电活性运动速度，以检查其运动速度，并确定了水凝胶盘的电荷和速度之间的关系。他们基于静电力和水动力阻力之间的平衡，其中更高的施加电压和更大的水凝胶盘直径提供更高的运动速度。这种聚合物装置非常适合通过自主狩猎捕获和运送货物。

捕获和运送货物

Yang和同事通过设计简单的盘形螺吡喃-PNIPAM水凝胶和嵌入纳米颗粒作为货物的球形结构，探索了该结构的货物运输潜力。强大的介电泳力使材料能够实现自主狩猎和拾取功能。

基于模拟，Yang和同事利用光引发自由基聚合形成了3臂螺吡喃PNIPAM水凝胶物体，并具有悬臂的卓越捕获能力。当不带电时，水凝胶周围的电场梯度消失，从而在电荷反转期间能够自主释放货物。货物释放也是通过关闭电场来实现的。

自动避开障碍物

研究小组展示了高介电常数的材料如何引起吸引的电泳力，而低介电常数的材料如何对相邻的带电水凝胶物体施加排斥的电泳力。

通过有限元计算，他们展示了低介电常数引导带电水凝胶穿过障碍物的可能性。在电场和光照射的持续刺激下，水凝胶自动绕过障碍并在电荷反转后返回，无需人工干预。

外表

通过这种方式，杨和同事设计了一种光活性和电活性水凝胶，可以捕获和运送货物，并在持续的外部刺激下避开障碍物。科学家们在水凝胶中使用了两种不同比例的螺吡喃部分，并促进化学随机网络中的净电荷在蓝光照射下可调。这使得光调节、电活性运动在光和电的指导下具有自主行为。

自主软物质产品可以优雅地捕获和运送货物，同时避开障碍物，并通过适合场景的应用程序来确保远程监控情况的安全性(例如，在人为干预不切实际的情况下)。这些具有自主功能的新型生物材料可以利用软材料中环境敏感的静电相互作用和光致动来巧妙地设计。

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