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和人体一样,机器人很快将由水凝胶构成
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麻省理工学院的研究人员近期发表一篇论文,论述了一种制备合成水凝胶的新方法——用水渗透聚合物网络。与玻璃或硅质等非渗透性物体表面相粘合,强度可与骨头和软骨间的结合强度相媲美。

“除了牙齿和骨骼,人体其余的部分都是由水凝胶构成的,”论文第一作者Xuanhe Zhao在电话中说。天然高分子水凝胶被贻贝、藤壶等海洋生物当做粘合剂,用于贴附岩石和船只。它们贴附得极其牢固,让研究人员下定决心制作合成水凝胶。他们制作出的水凝胶粘附在玻璃上时可以承受25千克的拉力,在硅质上同样强韧,甚至用锤子把硅质杂碎后仍然粘连。

强力粘结最常见的应用是胶水和涂料,例如船只的防护涂料。而水凝胶的组成物质中大部分是水,因此也能在医疗器械涂膜和生物电子学领域大展拳脚。水凝胶同时还是制造软体机器人的绝佳材料,可制作比以往更为灵活的关节——类似人类的肌腱。

而研究人员首先要理解天然高分子水凝胶为何能牢固地粘结。“困扰我们的问题只有一个:水凝胶与各种刚性材料都能紧密粘结,其基本原理是什么?”Zhao说。

11月9日发表在《Nature Materials》的论文中,他与同事论述了两个让物质变得潮湿粘稠的重要机理。首先水凝胶需要一个化学锚栓,也就是说它需要共价结合到其他表面。其次水凝胶需要散热,因此它不会停留在原地。“水凝胶需要自我耗散,因此粘结并不完全在物体表面进行;水凝胶转化为弹性应变能量贮存在物质中,”Zhao解释说。“因此变形过程中耗费了许多能量。”这里的变形指的是物体表面试图剥离水凝胶。

研究人员创造出多种水凝胶,并将它们应用于不同的非多孔材料。探索这些基础材料科学问题的过程中,他们论证了水凝胶的一些潜在用途。Zhao对进一步研究水凝胶在生物电子学和软体机器人领域的应用特别感兴趣。

“想想看,人体就是一个水凝胶软体机器人,”Zhao说。“人体中的组织含水量达到70%;许多块水凝胶与骨头结合在一起,组成了一个软体机器人。”

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