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文献信息
题目：Ultra-Stretchable and Environmentally Resilient Hydrogels Via Sugaring-Out Strategy for Soft Robotics Sensing
基于软机器人传感的超可拉伸和环境弹性水凝胶
期刊：Advanced Functional Materials
IF：18.5
DOI：10.1002/adfm.202315184
日期：27 February 2024
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作者信息
第一作者：Yuhang Ye
通讯作者：Feng Jiang
通讯单位：不列颠哥伦比亚大学
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主要内容
在大多数应用中，水凝胶的采用受到其高自由水含量的阻碍，这限制了它们的机械性能和环境弹性。本文通过调节水的状态和聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中的分子间相互作用来同时解决这个问题。具体来说，PAM水凝胶是通过使用单糖（葡萄糖，G）来增韧的。葡萄糖被发现可以促进PAM氢键和链间相互作用。同时，葡萄糖的高吸湿性将部分游离水转化为结合态，使水凝胶在极端环境条件下具有显著的弹性。PAM-G水凝胶被证明是软机器人的多模态传感器。此外，PAM-G醇通过与乙醇交换溶剂而产生，被证明是有效的光机械传感器。值得注意的是，所有这些特性都是通过添加葡萄糖获得的，葡萄糖是一种绿色添加剂，对健康和环境没有负面影响。
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结果与讨论
概念设计和假设证明
a)材料设计策略示意图；b)显示三种不同水凝胶组成的分子动力学模拟快照；c)分子动力学模拟计算的氢键数；d)不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的FTIR光谱；e)不同葡萄糖含量的PAM和PAM-G水凝胶的放大1H NMR谱；f)不同葡萄糖含量下PAM和PAM-G水凝胶的DSC曲线；g)不同葡萄糖含量的水/葡萄糖溶液的1H NMR谱。
糖化水凝胶的力学特性
a)不同水凝胶体系的典型应力-应变曲线；b)应力，c)应变，d)韧性，e)不同葡萄糖含量下PAM和PAM- g水凝胶的杨氏模量；f) PAM-G的最大韧性和应变异性为40%)与其他PAM基水凝胶对比。
环境耐受性
a)不同葡萄糖含量PAM-G水凝胶的离子电导率；b) PAM-G水凝胶在25℃和-5℃时的离子电导率；c)使用PAM-G水凝胶作为电路的一部分，在25℃和-5℃下显示LED灯泡照明的数码照片。d-f)PAM和PAM-G水凝胶在环境条件下暴露24 h后的剩余重量、力学性能和离子电导率变化；g-i) PAM和PAM-G水凝胶冻干48 h后的剩余重量、力学性能和离子电导率的变化。
耐溶剂性差和大分子构象改变引起的干扰色
a) PAM-G水凝胶与乙醇交换后的外观变化；b)经乙醇处理的PAM和PAM-G醇类的力学性能；C)溶剂诱导相分离过程示意图；d)不同应变下PAM-G醇类在交偏光镜下的颜色变化；e-g)建立具有指定误差条的CIE X、Y值与对应应变之间连续关系的机器学习模型。
应用于软体机器人的多功能传感器
a)气动软执行器的工作机理及PAM-G水凝胶集成感知弯曲角度和接触力；b) PAM-G水凝胶应变传感器电阻随软气动执行器施加压力变化的变化；c)压力、弯曲角度变化与相对阻力变化的相关性d) PAM-G水凝胶压力传感器的阻力随软气动执行器施加压力变化的相关性e)压力、力和相对阻力变化的相关性；f)显示软夹持器结构和动作的数码照片；g)使用软夹持器夹持不同物体，夹持过程由PAM-G型水凝胶多功能传感器监控；H)伸缩软执行器工作机构的数码照片及原理图；i) PAM-G型水凝胶应变传感器在软气动执行器延伸过程中的电阻变化；j)软执行器的压力、伸度、伸度的相对阻力变化之间的相关性。
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总结
总的来说，我们通过调节水分子的状态，采用糖化策略来设计一种同时增强韧性和环境弹性的水凝胶。葡萄糖的加入不仅促进了PAM链之间更强的分子间相互作用，还与PAM链形成了新的牺牲氢键，提供了能量耗散。同时，葡萄糖使自由水转变为结合状态，赋予水凝胶在各种极端条件下的特殊耐力。作为概念验证，PAM-G水凝胶被证明是软机器人的多模态传感器。我们相信，糖化是开发高性能水凝胶的一种通用的绿色策略，可以满足生物医学设备和其他方面的要求。
