刺激响应水凝胶软致动器的研究进展

Research Progress of Stimuli Responsive Soft Hydrogel Actuators

摘要: 刺激响应水凝胶软致动器作为一种具备自适应变形能力的智能材料，近年来在软体机器人、生物医学、智能控制等领域引起了广泛关注。本文综述了刺激响应水凝胶软致动器的最新研究进展，重点分析了不同外界刺激(包括热、光、电、磁、pH、离子、氧化还原反应、溶剂等)对其性能的影响。同时，总结了水凝胶软致动器在智能夹具、智能开关、智能窗帘、仿生软体机器人及药物输送等应用领域的最新研究进展。最后，本文讨论了提升其性能和拓展应用的潜在途径，并对未来发展前景进行展望。

Abstract: Stimuli-responsive hydrogel actuators, as intelligent materials with adaptive deformation capabilities, have attracted widespread attention in recent years across various fields, including soft robotics, biomedical applications, and smart control. This review summarizes the latest research advancements in stimuli-responsive hydrogel actuators, with a particular focus on the impact of various external stimuli (such as temperature, light, electric fields, magnetic fields, pH, ions, redox reactions, and solvent) on their performance. Furthermore, the article provides an overview of recent progress in the application of hydrogel actuators in intelligent grippers, smart switches, smart curtains, biomimetic soft robots, and drug delivery systems. Finally, potential strategies for enhancing their performance and expanding their applications are discussed, along with an outlook on future development trends.

1. 引言

水凝胶是一类具有高含水量的三维交联网络材料，通常由亲水性聚合物通过化学或物理交联方式制成，具备高吸水性[1]。基于其优异的柔韧性、生物相容性以及可调节的物理和化学特性，水凝胶在生物医学、可穿戴设备和智能材料等领域具有广泛应用。通过引入不同的响应组分，水凝胶可以根据外界环境变化产生可调节的响应特性，这使其在人工肌肉[2]、智能驱动器[3]和软机器人[4]等领域展现出巨大的应用前景。响应材料在制造具备变形和运动能力的人工软致动器中起着至关重要的作用。刺激响应性水凝胶作为一种智能材料，能够对温度[5]、光照[6]、电场[7]、磁场[8]、pH值[9]、湿度[10]和离子浓度[11]等多种外部刺激做出反应，进一步拓宽了其在软致动器中的应用范围。

水凝胶软致动器的设计灵感来源于自然界中生物对外界刺激的响应。例如，含羞草通过触觉刺激引发动作电位，导致叶柄区域细胞内水分流失，从而降低膨压，迅速闭合叶片[12]。然而，如何有效结合刺激响应性与柔韧性，以开发兼具优异灵敏度和高韧性的水凝胶致动器，仍然是实际应用中的关键挑战。为应对这一问题，目前的研究通常采用双层[13]或梯度结构[14]设计策略，通过引入各向异性的刺激响应以实现高效的致动性能。双层水凝胶由两种具有不同物理或化学特性的水凝胶层组成，其中，一层为功能层，针对外界刺激产生感应信号；另一层为基底层，为致动器形变提供所需的力学性能。而梯度水凝胶则通过在其内部引入浓度梯度或结构梯度[15]，进而精确调控水凝胶对外部刺激的响应速度，从而显著提升致动器的灵敏度和致动效率，这种设计使得水凝胶在不同区域具有不同的物理或化学性质，进而实现更加精细的响应控制。

随着对水凝胶刺激响应机制的深入理解，多功能水凝胶致动器在结构设计和应用方面取得了显著进展。本文旨在综述刺激响应水凝胶软致动器的最新研究进展，重点探讨水凝胶刺激响应机制、制备策略及其在相关领域中的应用。通过总结当前的研究进展，本文期望为相关领域的研究者提供参考和启示，推动多功能水凝胶致动器件的进一步发展，并为仿生水凝胶和柔性智能响应器件的创新做出贡献。

2. 刺激响应机制

许多自然系统能够持续地对周围环境的变化做出反应和适应。例如，生物体可以通过感知刺激(自然光、温度变化和周围的生化信号等)来调整其形状或位置，以避免被捕食或充分获取营养[16]。这些响应和驱动行为的内在原理可以为柔性电子、软体机器人、生物医学和其他软物质技术等众多领域提供先进的设计概念。因此，越来越多的刺激响应材料被广泛应用于开发具有变形和运动能力的智能控制系统。其中，由于水凝胶具备与软生物组织类似的生物相似性、对各种刺激的响应性和优异的柔韧性，它们具有广泛的应用前景。通常，刺激响应型水凝胶驱动器的异质结构在热、光、磁场、电场、pH值、离子、湿度、溶剂等各种外部刺激下表现出显著的体积/相转变，具有可逆的膨胀/收缩行为。在本节中，我们将讨论几种代表性的响应控制方法，并详细比较这些方法的优缺点。

2.1. 物理刺激

物理刺激响应性是指水凝胶能够对外界物理环境的变化作出反应，表现为体积或形状的膨胀或收缩[17]。常见的物理刺激包括热、光、磁场、电场和机械应力等[18]。这些刺激通过调节水凝胶内水分的吸收或释放，进而引发体积变化。本节将简要概述不同物理刺激机制下的水凝胶响应特性。

2.1.1. 热响应

温度是最基本和最直接的刺激，在水凝胶驱动器的制备中具有至关重要的作用。温度变化通过影响水凝胶内焓和内熵的平衡、分子重排以及聚合物分子链网络与水之间的相互作用，进而导致吸水或失水，从而引发体积或形状的膨胀或收缩。根据临界温度对水凝胶的响应方式，热响应性水凝胶驱动器可分为正响应和负响应两种类型，分别对应上临界溶液温度(upper critical solution temperature, UCST)和下临界溶液温度(lower critical solution temperature, LCST) [19]。

LCST响应是指当温度超过此临界值时，水凝胶中聚合物链与水分子的相互作用减弱，导致水分子被排斥，宏观表现为水凝胶体积收缩。常见的温度响应性聚合物包括聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚乙烯吡咯烷酮、聚(二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯)和羟丙基纤维素等。作为一种典型的温度响应性聚合物，聚(N-异丙基丙烯酰胺) (poly (n-isopropylacrylamide), PNIPAM)是众多LCST响应性聚合物之一[20]，其特点在于低毒性、电中性、化学稳定性、低pH依赖性和接近体温的LCST(约32℃)。因此，PNIPAM水凝胶广泛应用于温度响应性软执行器。当温度超过LCST时，PNIPAM水凝胶的体积会减小并收缩，而当温度低于LCST时，PNIPAM水凝胶会变大并膨胀。He等人[21]报道了一种微结构热响应型PNIPAM水凝胶驱动器，可实现精细化学操作。如图1所示，当温度低于LCST时，具有催化剂功能化尖端的嵌入式微结构会移动到试剂层，启动放热反应，随后水凝胶驱动器开始膨胀。随着反应温度超过LCST，水凝胶微结构收缩，催化作用停止，反应过程也随之中断。当温度再次降至LCST以下时，自调节循环重新启动。在这一微结构水凝胶驱动器中，水凝胶对温度变化的动态响应使得基于水凝胶支撑的催化剂微结构双层膜能够与含有反应物的“营养”层分离。通过可逆地驱动微结构进入或离开营养层，能够精确控制化学

Figure 1. Schematic diagram of LCST responsive hydrogel actuators [21]

图1. LCST刺激响应的水凝胶制动器示意图[21]

反应的开启与关闭，此装置为编程高精度化学反应装置提供了有效的解决方案。

与LCST相反，UCST响应型水凝胶驱动器随着温度升高而膨胀。UCST水凝胶驱动器中使用的聚合物基质主要是聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PAM)和聚丙烯酸(polyacrylic acid, PAAc) [22]。当温度低于UCST时，由于丙烯酸和丙烯酰胺链之间强烈的氢键相互作用，水凝胶网络的体积收缩；当温度高于UCST时，PAM-PAAc之间的相互作用减弱，氢键快速解离，导致水凝胶体积膨胀。为了改变水凝胶的特性并实现所需的功能，可以通过在UCST共聚物分子段中进行额外的共聚或改性来优化其性能。如图2所示，Zhao等人[23]创建了一种具有UCST效应的PAM/PAAc层和具有LCST效应的PNIPAM层的双层水凝胶致动器。当温度升至UCST或降至LCST时，双层水凝胶呈现相反的相变状态，因而表现出更大的驱动幅度。这种非对称分布的热敏层设计理念可用于创建各种UCST水凝胶，并启发智能致动器领域的创新。

Figure 2. Schematic diagram of UCST responsive hydrogel actuators [23]

图2. UCST刺激响应的水凝胶制动器示意图[23]

2.1.2. 光响应

光是一种清洁、安全且可持续的能源，作为水凝胶致动器的重要驱动力，其具备远程控制、快速响应、无接触和高灵敏度等优点。光敏性水凝胶可分为两类：(1) 具有光异构化或光电离特性的发色团(如聚吡咯、偶氮苯和螺吡喃)的水凝胶，可以在光照下诱导偶氮苯(顺式到反式的转变)和螺吡喃(开环/闭环的转换)等过程；(2) 含有光热转换填料(如AuNPs、GO、MXenes、碳纳米管、CuS、Fe₂O₃纳米颗粒等)的水凝胶[24]。光能够刺激水凝胶产生可转换的功能，使光响应水凝胶致动器在光照射下产生相应的结构或理化性质变化。与其他致动方法相比，光驱动允许轻松操纵光斑的大小、强度、路径和焦点，以实现精确的、位置特定的和可编程的刺激，从而能够执行复杂的运动。此外，光驱动水凝胶致动器可以非接触方式远程控制，并且不需要复杂的设备。Stupp等人[25]通过在共价网络中交联螺吡喃，制备了具有光开关能力的磺酸盐基水溶性水凝胶致动器。如图3(a)所示，将水凝胶致动器暴露于光源下会触发体积膨胀。相反，在黑暗中发生体积收缩。此外，Li等人[26]使用硫化的层状双氢氧化物纳米片作为光热转换器制备了燃料水凝胶致动器，如图3(b)所示。与相同含量的GO和MXene组成的驱动器相比，该水凝胶驱动器具有优异的近红外诱导温升和良好的驱动性能。在25℃和0℃下的远程近红外光刺激下，致动器表现出完全快速的弯曲变形，该复合水凝胶驱动器具有良好的耐热性和低温稳定性。

Figure 3. (a)Schematic diagram of covalently crosslinked spiropyran photosensitive hydrogel [25]; (b)Near-infrared light-driven hydrogels and their volume contraction and anisotropic bending [26]

图3. (a)共价交联螺吡喃光敏水凝胶示意图[25]；(b)近红外光驱动水凝胶及其体积收缩和各向异性弯曲示意图[26]

2.1.3. 磁响应

磁响应水凝胶致动器能够响应施加的磁场刺激。与光响应或热响应水凝胶致动器相比，磁响应致动器在微创手术和靶向药物递送等领域具有更广泛的应用前景。这是因为它们在高磁场强度下仍能保持良好的生物相容性，并且可以通过磁场远程控制快速激活响应。磁响应水凝胶致动器通常通过将顺磁性[27]或铁磁性物质(如Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃、NdFeB等) [28]引入水凝胶网络中制备。在外加磁场作用下，水凝胶网络中的磁性物质会沿磁场方向排列，进而引起水凝胶内部的各向异性结构变化。同时，磁场作用引起的温度升高也会导致水凝胶的体积膨胀或收缩。此外，磁性颗粒可通过与水凝胶中的聚合物形成共价键等协同作用，自发地促进交联结构的形成，从而避免了化学交联剂的引入。Sukho等人[29]提出了一种复合响应的水凝胶致动器，如图4所示。致动器由两层材料组成：一层为pH响应的2-羟乙基甲基丙烯酸酯，另一层为掺杂有氧化铁颗粒的聚(乙二醇)二丙烯酸酯。因此，结合电磁驱动系统，这种双响应水凝胶致动器能够作为微型机器人，在不同pH值的溶液中实现药物的捕集与释放。在pH = 9.58的条件下，抗癌药物珠被软微机器人捕获，随后通过电磁驱动系统将其转移至肿瘤组织。一旦软微机器人成功到达肿瘤部位，由于肿瘤组织的pH值低于正常值(pH = 2.6)，它便能够精确释放预先捕获的药物。总之，这种软微机器人能够根据环境pH值变化，借助电磁驱动机制实现药物的捕捉和释放。这项研究为相关领域的进一步探索提供了启示。例如，通过进一步优化外部磁场和致动器设计，复合软体致动器或许能在复杂地形中实现多模式运动。

2.1.4. 电响应

电响应水凝胶致动器的主要工作机制通常依赖于水凝胶溶胀介质中离子的分布排列以及电场引起的离子运动。具体而言，暴露于外部电场时，水凝胶中的自由离子会在特定方向上迁移，导致凝胶内外离子浓度的不均匀分布，进而产生渗透压，这一过程促使水凝胶致动器发生膨胀或收缩[30]。利用电场作为外部刺激的优势在于，它能够通过软件编程实现精确的电压/电流控制，从而调节水凝胶致动器的运动和行为，在生物工程和生物医学等领域展现出巨大的应用潜力。如图5所示，Sun等人[31]通过3D打印

Figure 4. Schematic diagram of a magnetic field-driven hydrogel soft robot for drug microparticle capture and release at different pH values [29]

图4. 用于在不同pH值下进行药物微珠捕获和释放的磁场驱动水凝胶软机器人示意图[29]

Figure 5. Schematic description of electroactuation of the PSPA-based hydrogel under the application of an electric field [31]

图5. 电场作用下PSPA基水凝胶电致动器示意图[31]

技术构建了基于聚(3-磺丙基丙烯酸酯，钾盐)(PSPA)的直流电(DC)水凝胶致动器，这种水凝胶致动器具有可定制的结构和体积，可以根据特定应用需求进行精确设计。水凝胶致动器位于氯化钾溶液中的两个电极之间，当外部电路闭合时，由于电场的作用，水凝胶两侧之间界面处的离子浓度发生差异，进而在界面处形成电渗透压。水凝胶中的阳离子向电解质溶液中迁移，以在水凝胶中维持电中性，这一过程导致水凝胶致动器发生形变，通常表现为朝向负极弯曲。研究表明，在7.5 V电压和0.05 M KCl溶液的条件下，该水凝胶致动器能够在短短4分钟内实现明显的弯曲，展现了其可调性和响应速度。由于其形状变化类似肌肉组织，基于PSPA的电响应水凝胶致动器在生物传感器和人造肌肉等领域具有广泛应用前景，能够用于开发智能医疗设备、仿生机器人和智能假肢等，提供更灵活、精确的运动控制和健康监测能力。

2.2. 化学刺激

化学反应敏感性水凝胶致动器通过响应外部化学刺激而发生体积变化，进而将化学势能转化为机械运动。常见的化学刺激包括pH值变化、离子效应、氧化还原反应和溶剂等，通过改变水凝胶内部的化学结构和分子相互作用来引发形变。水凝胶因能够响应这些化学刺激而具有广泛的应用潜力，特别是在智能材料、传感器、药物释放系统等领域。在本节中，我们将深入探讨这些化学刺激对水凝胶致动器的影响机制，并分析其在实际应用中的前景。

2.2.1. pH响应

水凝胶网络中的渗透压差受系统pH值变化的影响，pH值的波动能驱动pH响应型水凝胶致动器的运动。大多数此类致动器的聚合物主链上含有可电离的侧基，这些侧基根据电离后所带的电荷分为阴离子侧基和阳离子侧基[32]。具体而言，含阴离子侧基的水凝胶致动器在pH值高于其酸解离常数(pKa)时，侧链基团电离并带负电荷，导致水凝胶吸水膨胀；而当pH值低于pKa时，阴离子侧基因电荷丧失而收缩，通常伴随水分的流失。这种形变与溶液中离子浓度的变化密切相关，通过调节pH值，水凝胶的结构和体积可以实现精确控制，进而驱动其致动性能。如图6所示，Tang等人[33]，制备了一种由聚丙烯酸(PAAc)和四(4-吡啶苯基)乙烯组成的pH响应水凝胶致动器，旨在模仿水母的协同变形和荧光颜色变化。在高pH溶液中，PAAc会发生去质子化(即pH值高于–COOH的pKa)，导致羧基之间的静电排斥作用，从而促使PAAc层膨胀。与此同时，四(4-吡啶苯基)乙烯具有pH敏感的聚集诱导发光特性，当pH值

Figure 6. Schematic diagram of pH response hydrogel actuator; (a) Reversible deformation mechanism of double-layer hydrogel actuator; (b) PH responsive fluorescence discoloration mechanism [33]

图6. pH响应水凝胶致动器示意图: (a) 双层水凝胶致动器的可逆变形机制; (b) pH响应荧光变色机理[33]

变化时，水凝胶的荧光特性也会发生变化。水凝胶致动器表现出明显的pH响应性膨胀/收缩行为，能够根据pH调节实现协同变形和荧光颜色的同步控制，展现出优异的双重响应性能。

2.2.2. 离子响应

离子刺激是驱动水凝胶形变的一个重要机制。离子响应水凝胶致动器的工作原理类似于pH响应水凝胶致动器，但其形变主要由水凝胶网络中的电解质基团(如羧酸基、磺酸基等)的电离行为以及离子浓度变化引起。当水凝胶暴露在不同离子浓度的溶液中时，电解质基团的电离平衡会发生变化，从而改变水凝胶的亲水性或疏水性[34]。具体来说，在高离子浓度下，水凝胶中的电解质基团会大量解离，增强亲水性并引起水凝胶的膨胀。相反，在低离子浓度下，基团解离度降低，亲水性减弱，水凝胶会表现出收缩行为。如图7所示，Chen等人[35]通过PAAc与Fe³⁺离子的螯合作用，形成PAAc-Fe³⁺临时络合物，赋予水凝胶材料在盐离子溶液驱动下的各向异性结构。当改变与含Fe³⁺离子的滤纸接触面积时，水凝胶膜在1分钟内表现出不同程度的拱形，如图7所示。通过控制这一过程，三维花状水凝胶的开花状态也可以调节。其机制是，当水凝胶浸入离子溶液中时，Fe³⁺离子进入水凝胶并与PAAC发生螯合，形成交联结构，这会降低水凝胶一侧的膨胀速率并导致弯曲。随着Fe³⁺浓度增加，水凝胶中交联结构的形成更加显著，导致其各向异性更加明显，弯曲效应也更强。此外，复合水凝胶致动器的荧光性质可以通过调整Fe³⁺的浓度巧妙调控。这种荧光水凝胶在离子溶液中的表现使其能够实现信息的隐藏与呈现，展现了其在信息存储和智能材料领域的广泛应用前景。

Figure 7. Schematic diagram of hydrogel actuator driven by Fe³⁺ concentration [35]

图7. Fe^{3 +}浓度驱动的水凝胶致动器示意图[35]

2.2.3. 氧化还原响应

氧化还原响应型水凝胶通过水凝胶网络中的氧化还原反应驱动形变，近年来引起了广泛关注。氧化还原反应能够调节水凝胶的亲水/疏水特性，改变分子间的相互作用(如交联密度)，从而引发水凝胶的膨胀或收缩。Harada [36]等人利用主–客体相互作用制备了氧化还原驱动的超分子水凝胶致动器。如图8所示，该致动器由β-环糊精(β-CD)/二茂铁(ferrocene, FC)氧化还原反应型主客体复合物和聚丙烯酰胺(PAM)网络组成。水凝胶的形变是通过氧化还原反应改变主客体复合体的结构来实现的。具体来说，二茂铁在氧化过程中失去电子，变成Fe³⁺，这一过程导致二茂铁与β-CD的结合力减弱，结果是交联网络的松弛，水凝胶因此膨胀。相反，当水凝胶处于还原环境中，Fe³⁺被还原回Fe²⁺，二茂铁的电子状态恢复，主客体复合物的结合力增强，从而导致交联网络的重新紧密化，水凝胶收缩。

2.2.4. 溶剂响应

水凝胶因其与人体组织的相似性(如柔软性、可调性)和内部的高含水量，已被广泛应用于多种功能性领域。在某些有机溶剂的作用下，溶剂与水凝胶内部的水分和离子发生相互作用，导致水凝胶表现出诸如膨胀、收缩或记忆形变等响应行为，这些特性使水凝胶具有典型的响应性能。Wu等人[37]开发了一种智能水凝胶执行器，如图9所示，能够响应水和乙二醇的刺激。为构建蓝色荧光量子点聚合物凝胶层，

Figure 8. (a) Photos of β-CD-FC gel immersed in Tris/HCl buffer containing oxidant for 1 min (left) and 60 min (right); (b) Diagram of redox responsive expansion contraction of β-CD-FC gel [36]

图8. (a) β-CD-FC凝胶在浸入含有氧化剂的Tris/HCl缓冲液1 min (左)和60 min (右)的照片；(b) β-CD-FC凝胶的氧化还原响应性膨胀-收缩图示[36]

Figure 9. (a) Cross-sectional SEM image of the freeze-dried bilayer hydrogel actuator; ((b), (c)) Schematic diagram of the cooperative fluorescence color and shape changes of the fluorescence VCD gel actuator triggered by water-ethylene glycol exchange [37]

图9. (a)冻干双层水凝胶致动器的横截面SEM图；((b), (c))由水-乙二醇交换引发的荧光VCD凝胶致动器协同荧光颜色和形状变化的示意图[37]

研究人员将乙烯基功能化的碳量子点与丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AAc)通过自由基共聚合制备，随后将弹性体层与凝胶层结合，形成非对称双层致动器。在这一执行器中，聚(丙烯酰胺-co-丙烯酸)凝胶中的羧基在高介电常数的水中部分电离，产生的静电斥力导致水凝胶层膨胀，同时弹性体层也发生形变。水凝胶致动器条在水溶液中逐渐弯曲，并在乙二醇中恢复原状。此过程中，水凝胶伴随着从深蓝色变为玫瑰色的显著荧光颜色变化，这一变化与水凝胶的形变同步发生。溶液扩散过程控制了这一变化的速率，溶剂交换直接驱动了形状和颜色的转变。这种智能荧光水凝胶执行器不仅适用于创建具有形状变形、颜色变化和定向运动能力的游泳型凝胶机器人，还可以通过荧光变化作为警报功能，及时响应外部环境的变化。其协同变色和形态突变特性为未来多功能软机器人和仿生学的应用提供了新思路。

3. 刺激响应水凝胶软致动器应用

刺激响应水凝胶致动器因其能够响应外界刺激引发形态变化，广泛应用于智能系统和生物医学领域。这些致动器在智能设备中提供了极大的动态调节能力和环境自适应能力，能够精准控制运动和形态变化。同时，在药物输送方面，它们能根据环境变化调控药物释放，实现更加精确的治疗。随着技术的不断进步，刺激响应水凝胶致动器在各个领域的应用前景日益广阔。在本节中，我们将深入探讨水凝胶致动器的前沿应用，重点分析其在智能技术和生物医学领域的最新进展。

3.1. 智能软夹具

许多各向异性和双层水凝胶已被开发用于智能软夹具。当水凝胶致动器由三个或更多臂组成时，它们能够在不同的外部刺激下抓取和释放物体。随着柔性机器人、柔性传感器和医疗器械等领域的发展，水凝胶夹具的应用日益广泛。因此，亟需设计出高效的水凝胶夹持器。如图10所示，Liu等人[38]将

Figure 10. (a) Pictures showing the bending of PAM-PAAc/CNF and PNIPAM/CNF hydrogel strip and PAM-AA/CNF + PNIPAM hydrogel strip at 45˚C in water bath and (b) their unbending at 25˚C; (c) Demonstrations of bilayer hydrogel as temperature-controlled manipulators at 45˚C [38]

图10. (a) PAM-PAAc/CNF和PNIPAM/CNF水凝胶条在45℃水浴中弯曲；(b)在25℃下未发生弯曲；(c)双层水凝胶在45℃下作为温控操纵装置[38]

聚(n-异丙基丙烯酰胺)/纤维素纳米纤维(PNIPAM/CNF)双网络水凝胶作为表层，聚(丙烯酰胺-co-丙烯酸)/纤维素纳米纤维(PAM-PAAc/CNF)双网络水凝胶作为底层，成功制备了具有各向异性结构和温度响应性的双层水凝胶致动器。得益于该双层水凝胶在温度变化下表现出的优异弯曲和恢复性能，研究人员设计了一种仿生机械手，能够抓取重达13.76 g (约为机械手本身重量的70倍)的离心管。在引入Fe³⁺交联的PAM-PAAc/CNF层后，机械臂的抓取能力得到了进一步提升，能够搬运重达33.72 g (约为机械手本身重量的150倍)的离心管。物体抓取和操控是生物和工程系统中的核心操作，基于水凝胶驱动器开发的软夹具能够实现这些功能，因此在机器人技术和生物医学设备中具有广泛的应用前景。

3.2. 智能窗帘

智能窗帘的快速发展源于对节能、舒适性和自动化控制日益增长的需求。水凝胶材料能够响应外界环境变化(如温度或湿度波动)，自动调节窗帘的开合状态，展现出优异的自适应性能。因此，水凝胶凭借其独特的刺激响应特性，成为实现高效控制智能窗帘的理想材料。如图11所示，Zhao等人[39]采用了一种简便的磁感应策略，制备了由水凝胶纤维组成的可编程致动器，通过编织将这些水凝胶纤维制成智能窗帘，这种致动器具有响应溶剂和湿度的双重能力。具体来说，智能窗帘能够根据环境湿度自动调节。加水后，窗帘会自动下垂，而当水分蒸发时，窗帘则会自动卷起。这个过程不仅可以实现窗帘的智能开合，还能应对不同的天气变化，例如在雨天自动关闭，在晴天自动打开。该智能窗帘的优势在于其能够通过环境湿度的变化实现自主调节，无需外部电力或复杂的控制系统。它适用于智能建筑、温室控制系统以及节能建筑中，为实现能效管理和环境适应性提供了新思路。此外，水凝胶纤维基底赋予了窗帘优良的环境友好性和生物相容性，使其更加适用于可持续发展和绿色建筑的需求。

Figure 11. Rolling up and dropping down of smart curtains composed of hydrogel fibers under different humidity conditions [39]

图11. 水凝胶纤维组成的智能窗帘在不同湿度条件下进行上下翻动[39]

3.3. 智能开关

得益于水凝胶的各向异性特性，智能开关的研究取得了显著进展，尤其是在外部刺激引发的可逆弯曲特性方面。水凝胶智能开关能够在接收到指令后自动执行开关操作，广泛应用于电路开关和流体阀等领域[40]。与传统硬质开关相比，水凝胶智能开关具有多个独特优势。水凝胶的柔性和可调性使得它能够适应复杂的表面和形态，提升了适配性。同时，水凝胶驱动的智能开关通常通过环境刺激(如湿度、温度或磁场等)来激活，这种低能耗的特性使其在长时间运行中更加经济高效。此外，水凝胶开关的快速响应特点和可控的形变行为提供了更高的精度和可靠性，且长期使用不易出现机械磨损。如图12所示，Wei等人[40]设计了一种磁性开关，用于激活灯光。该开关由三层不同材料构成：顶层是通过N羟基琥珀酰亚胺酯水凝胶激活的海藻酸钠，底层为铜，中间层是壳聚糖(chitosan, CS)水凝胶。当施加磁场时，由于四个磁段的固有磁各向异性，开关表现出独特的响应。具体来说，其中两个磁段向上弯曲，另外两个向下弯曲。通过调整外部磁场的方向，可以在四种不同的开关模式之间切换，从而激活电路中四种不同颜色的灯。这种水凝胶智能开关的设计不仅具备传统开关的基本功能，同时结合了水凝胶的柔性和可调性，拓展了在柔性电子、智能设备以及机器人领域的应用潜力。

Figure 12. Schematic diagram of programmable magnetic hydrogel actuator switch based on circuit lighting control [40]

图12. 基于电路照明控制的可编程磁性水凝胶致动器开关示意图[40]

3.4. 仿生软机器人

水凝胶致动器因其能够模拟动物的灵活性和自然伪装能力，成为仿生软机器人领域的理想材料。此类执行器通常设计用于操作特定物体，具备良好的柔韧性以适应物体形状，并能够在柔性与刚性之间灵活切换，从而确保牢固的抓取能力。相比于传统的硬质机器人，水凝胶软机器人具有更高的柔韧性和自愈能力。硬质机器人在面对复杂环境时容易损坏，而水凝胶软机器人则能够通过其可变形的特性在各种环境中自我适应，提升了耐用性和抗损伤能力。此外，水凝胶软机器人通常不需要外部动力源(如电池或气泵)，仅需依赖环境刺激(如湿度、光照、温度等)即可完成驱动，这极大简化了系统的结构[41]。Zhu等人[42]受自然界螳螂捕食行为启发，设计了一种仿生步行机器人，如图13(a)所示。通过在海藻酸钠(sodium alginate, SA)膜上喷涂聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)与氧化铁复合材料(PIC)，并结合SA溶液，设计并制作了水凝胶仿生腿。该结构被焊接到PIC/SA薄膜的SA面上。经过多个周期的光照与湿度交替刺激后，步行机器人能够依赖前后肢与底座之间的摩擦力差异，平滑地向前爬行。此外，Zhao等人[43]通过在N异丙基丙烯酰胺(NIPAM)水凝胶中引入纳米纤维素(NFC)，成功制备了一种高响应性、红外响应且具备多功能自驱动能力的梯度智能水凝胶。该水凝胶在连续的近红外照射下展现出可控的水下运动能力。在近红外照射下，水凝胶不仅能够执行“前进”和“转向”动作，还具备水下避障功能。通过分别照射水凝胶背部的不同位置，可控制其前进、右转或左转。这种NFC增强的梯度智能水凝胶具备可控、可重复且高效的避障能力，为智能水凝胶执行器在软体机器人和药物输送等领域的应用提供了新的材料选择。

Figure 13. (a)Biomimetic walking robot [42]; (b) Biomimetic swimming robot [43]

图13. (a)仿生步行机器人[42]；(b)仿生游泳机器人[43]

3.5. 药物输送

水凝胶执行器在药物输送领域具有独特优势。它们能够响应外界环境的变化，如pH、温度和光照等，通过这些环境刺激的变化，精确调控药物的释放速率。这种响应性使得药物能够在特定的时间和位置精准释放，实现定向、时控和响应式的递送。此外，水凝胶本身具有优异的生物相容性，能够减少药物的副作用，提升治疗的安全性与效果。水凝胶的自适应性和灵活性使其能够在复杂的生物环境中高效工作，满足不同临床需求，如针对肿瘤靶向治疗或慢性病患者的持续药物递送。如图14所示，Zhang等人[44]受茅膏菜叶片变形行为的启发，设计了一种用于亲脂性药物输送的双pH响应水凝胶致动器。通过丙烯酸和丙烯酰胺单体聚合，制备了由两种pH响应水凝胶构成的双层胶囊开关。加入硅烷偶联剂后，水凝胶层通过共价键连接，界面附着力高达132 J·m⁻²，即使在酸碱环境下24小时也不脱粘。致动器的弯曲方向可通过调节pH值控制，当pH = 2时，聚丙烯酰胺层膨胀最大，双层胶囊向聚丙烯酸层弯曲，反之亦然。通过在一侧加入弹性条纹，双层展示出非对称的膨胀运动。药物释放实验显示，类胡萝卜素染料在pH = 8下2小时内释放超过60%，而在pH = 2和6时释放较慢，表明该胶囊开关可有效调控药物释放，该双层驱动策略为药物输送提供了新的可能性。

Figure 14. Schematic diagram of hydrogel actuator for drug release [44]

图14. 用于药物释放的水凝胶致动器示意图[44]

4. 结论

本文综述了刺激响应水凝胶致动器的研究进展与应用，重点探讨了多种刺激响应机制，包括热响应、光响应、磁响应、电响应、pH响应、离子响应、氧化还原反应响应以及溶剂响应。同时，详细总结了水凝胶在智能软夹具、智能窗帘、智能开关、仿生软机器人和药物输送等领域的应用。鉴于其卓越的生物相容性和可降解性，水凝胶执行器有望在生物医学、软机器人、智能材料以及药物控释系统中发挥重要作用。

虽然刺激响应水凝胶致动器的研究取得了一定进展，但其在实际应用推广过程中仍面临诸多挑战。首先，完全模拟生物变形机制依然困难，未来的设计应更深入地借鉴自然变形原理，以提升灵活性和适应性。其次，水凝胶的机械性能与响应速度之间尚需优化，特别是在同时维持形状变化与多功能性二者的平衡。此外，水凝胶的膨胀与收缩易受环境湿度和温度变化的影响，限制了其稳定性和长期使用的可靠性，因此引入有机溶剂或调节剂可能有效提升其环境适应性。最后，水凝胶致动器的应用发展仍处于初期阶段，其致动效率、能量转换效率及响应速度较低，亟需通过技术创新提升其在实际应用中的效能与响应能力。随着技术的不断进步，刺激响应水凝胶致动器的潜力也在逐步释放。未来，水凝胶执行器有望突破现有的技术瓶颈，应用于微型医疗设备，在生物体内执行复杂或远程任务。此外，通过与人工智能和机器学习的结合，水凝胶执行器有望实现更高的智能化和机械化，从而拓展其在更多领域的应用。

基金项目

上海市自然科学基金项目(18ZR1426300)。