Гидрогелевый актуатор с катапультным механизмом для создания высокой силы сокращения

Вдохновившись мышечным механизмом ускорения у биологических прыгунов, учёные создали сильный сокращающийся гидрогель на основе упругой энергии. Он работает за счёт накопления и высвобождения упругой потенциальной энергии в полимерной сети.

Гидрогель, разработанный группой профессора Чжоу Фэна из Ланьчжоуского института химической физики (LICP) Китайской академии наук и группой профессора Хэ Симиня из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), обратимо формирует и разрывает химические связи в своей сети. Это позволяет ему накапливать и высвобождать упругую энергию, выполняя быстрые и мощные движения.

Новый гидрогель способен генерировать высокую силу сокращения с ультравысокой плотностью работы, превосходя существующие гидрогели и даже приближаясь к биологическим мышцам.

Чувствительные к среде («стимул-ответные» или «умные») гидрогели привлекательны благодаря высокой степени деформируемости. Однако при использовании в качестве «искусственных мышц» в актуаторах, роботах и медицинских устройствах они страдают от механической слабости или медленного отклика.

В отличие от них, механизм нового гидрогеля решает давнюю дилемму «высокая скорость + большая сила одновременно». Это позволяет преодолеть предел плотности энергии материала при сохранении высокого содержания воды.

Кроме того, он обеспечивает управляемую многостабильную деформацию полностью обратимым и программируемым способом. Это впервые реализует «переключаемую обратимость упругости и пластичности», а также анизотропную или изотропную деформацию. Такой универсальный модульный дизайн материала можно широко применять для создания неограниченного числа мощных активных полимеров.

«Благодаря высокой плотности мощности и программируемости через этот настраиваемый модульный дизайн, эти гидрогели демонстрируют потенциал для широкого применения в искусственных мышцах, сокращающихся раневых повязках и мощных актуаторах», — сказал профессор Чжоу.

Результаты опубликованы в журнале Science Advances в статье «Bioinspired high-power-density strong contractile hydrogel by programmable elastic recoil».