水凝胶作为一种理想的软体材料，在柔性传感器、执行器和智能机器人等领域具有广泛应用。水凝胶因其高度的水合性和与水相似的物理特性，使得它们在生物医药和环境工程领域非常有前景。水凝胶的响应性特性，特别是对外界刺激（如温度、pH和光照等）的响应，是使它们成为智能材料的重要因素。
其中，光热响应性水凝胶作为一种新兴的智能材料，因其能够在光照作用下产生热量，进而触发水凝胶形态的变化（例如膨胀或收缩），被广泛关注。利用光热效应使得水凝胶材料在特定条件下能够精确控制其形状和尺寸，从而实现高效的执行和控制。光热响应的水凝胶通常需要加载光热转换材料，如金属纳米粒子、碳基材料等，以增强光热响应性能。然而，单独使用这些传统的光热材料，常常存在材料密度高、导热性能差和容易聚集等问题。
为了解决这些问题，作者提出了一种新颖的解决方案——在水凝胶中加入空心玻璃微球。空心玻璃微球不仅能有效降低水凝胶的整体密度，还能显著提高光热转换效率。由于空心玻璃微球内部是空的，它们能够更均匀地分布热量，避免了热量过度集中造成材料损坏的风险。
此外，作者还提到通过多巴胺改性（polydopamine, PDA）来提升空心玻璃微球与水凝胶的相容性。多巴胺自聚合形成的薄层，能在水凝胶和玻璃微球之间提供更强的附着力，从而增强复合材料的整体力学性能和响应能力。通过这种改性方法，不仅增强了材料的光热响应性，还提高了它们在复杂环境中的稳定性。
首先，将5克空心玻璃微球（HGMP）用0.5 M的氢氧化钠溶液（300毫升）在80°C下蚀刻20分钟，得到预处理的HGMP。然后，将这些预处理的HGMP用超纯水彻底冲洗干净。将1克冲洗后的预处理HGMP与不同质量的多巴胺（DA）盐酸盐（x = 100、200、300、400毫克）加入到碱性缓冲溶液（由氢氧化钠、磷酸氢二钠和磷酸二氢钠组成，pH = 8.5，200毫升）和乙醇（50毫升）的混合溶液中，在25°C下搅拌12小时，以获得多巴胺改性空心玻璃微球（PDA-HGMP）。这些新鲜产物需要多次用水洗涤，然后收集浮在水面上的样品。收集到的湿样品经过冷冻和冻干处理，最终得到干燥的PDA-HGMP粉末。这些得到的PDA-HGMP被命名为Px-HGMP，其中x表示多巴胺的含量。例如，P100-HGMP表示在改性反应中多巴胺的质量为100毫克。
为了制备凝胶，所需量的琼脂糖在去离子水中加热并搅拌直至完全溶解，制得2 wt% 的储备溶液。NIPAM前驱体溶液是通过将2.0克NIPAM、30μL光引发剂DEAP、20毫克BIS交联剂和10毫升水在瓶中充分混合制备的。然后，向其中加入2毫升热的琼脂糖溶液、2毫升NIPAM前驱体溶液和x毫克PDA-HGMPs。将混合均匀的溶液通过氮气吹泡在40°C水浴中脱气5分钟，以防止琼脂糖凝胶化。脱气后的溶液被转移到由硅胶橡胶和载玻片制成的模具中。模具随后被放入5°C冰箱中存放30分钟，使琼脂糖凝胶化，然后在紫外光反应器中照射20分钟进行NIPAM的聚合。最后，得到的水凝胶在纯化水中浸泡过夜，以去除未反应的组分。
总的来说，作者提出了一种基于近红外光驱动的水凝胶执行器，能够在液体表面上实现可编程的自驱动运动，并通过将PDA-HGMPs加载到PNIPAM水凝胶中，使其能够在液体中实现浮动和沉降。轻质的PDA-HGMPs不仅具有优异的光热转换性能，还能有效调节水凝胶致动器的自浮能力。以A8样品为例，实验表明，与空白水凝胶相比，该水凝胶执行器的响应速度更快，这主要得益于PDA-HGMPs促进了水分的吸附与解吸过程。此外，在808 nm近红外光照射下，A8样品的浮动与沉降过程可以根据需求多次重复。令人兴奋的是，该水凝胶执行器还能够进行三维运动，这使其在更复杂的应用中具有优势，如三维避障，相较于传统的仅能在液体表面进行二维运动的基于Marangoni效应的执行器，这是一项突破。为验证这一潜力，还开发了一种集成超薄硅基压力传感器的自感知执行器。通过将光热浮力流与Marangoni效应相结合，这项工作将传统Marangoni效应驱动的二维运动拓展到了三维运动，为智能水生软体机器人、生物医学设备等领域的进一步发展提供了新的视角和思路。
图1. PDA-HGMPs的制备和光热性能。(a) 示意图说明PDA-HGMPs的制备过程。(b, c) 预处理HGMPs和PDA-HGMPs的SEM图像。(d, e) PHGMPs和PDA-HGMPs的光学显微图和热图像。左上角的插图为不同颜色的实物样品照片。(f) 在NIR照射（2 W·cm–2）下，纯HGMPs和不同DA浓度的PDA功能化HGMP粉末的温度记录。(g) 在不同激光功率密度下，P300-HGMPs粉末的温度记录。(h) 对应平衡温度与激光功率密度之间的线性关系（P300-HGMP样品）。
图2. PNIPAM/琼脂糖/PDA-HGMPs水凝胶的制备和结构。(a) PNIPAM/琼脂糖/PDA-HGMPs水凝胶的制备示意图。(b) 含不同浓度琼脂糖的PDA-HGMP溶液的光学图像。(c) 含不同PDA-HGMP含量的水凝胶样品的典型图像。(d) 水凝胶中PDA-HGMPs的SEM图像。(e) PNIPAM/琼脂糖/PDA-HGMPs水凝胶截面的SEM图像及相应的EDX元素分布图（C, O, Si元素）。
图3. 典型水凝胶的脱水行为。(a) 不同温度下各种复合水凝胶的状态。(b) 在16°C和60°C下，A0和A8水凝胶的图像，样品尺寸约为15 mm × 15 mm × 3 mm。(c) 水下浮动机制的示意图，ML和MH分别代表低温和高温下水凝胶的质量，VL和VH分别代表低温和高温下水凝胶的体积。(d) A0和A8水凝胶在40°C和60°C下的脱水行为。(e) PNIPAM/琼脂糖/PDA-HGMP水凝胶和PNIPAM/琼脂糖水凝胶的脱水机制示意图。
图4. A8样品的热诱导浮动行为。(a) A8的不同运动：在40°C时向上浮动，在16°C时向下沉降。样品尺寸约为15 mm × 15 mm × 3 mm。(b) A8在40°C和60°C水中的高度变化。(c) A8在40°C和60°C预处理后，在16°C水中的高度变化。(d) A8样品在40°C和60°C下的脱水特性及在16°C下的膨胀特性。
图5. A8样品的光热诱导浮动行为。(a) 激光引起的水凝胶样品浮动运动示意图，以及A8在激光开启和关闭过程中的浮动与沉降图像。样品尺寸约为5 mm × 3 mm × 3 mm。(b) 在不同功率水平下，A8在激光开启和关闭时的高度变化。(c) 激光功率与运动性能之间的关系。(d) 在激光控制下，A8的20次浮动和沉降循环。(e) 由光热Marangoni效应引起的水凝胶在液–气界面上的定向运动示意图。(f) A8样品的红外图像，显示推进运动。(g) A8的相应线性轨迹。插图为特定实验操作的照片。
图6. A8样品的3D运动演示。(a) A8运动过程的示意图和光学图像，包含浮动、移动和沉降的运动。(b) A8在典型运动过程中的坐标（正视图）。(c) 将执行水凝胶与微型传感器集成的示意图，以及集成执行器从底部浮起和返回的过程。(d) 微型压力传感器对不同液体深度的电响应。
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