智能材料作为材料科学与工程领域的前沿分支，其特点是能够感知环境变化并作出适应性响应。水凝胶是一类重要的智能材料，因其对刺激的响应特性而受到广泛研究。在温度[1,2]、pH值[3,4]、光[5,6,7]、离子强度[8,9]或电场[10,11]等外部触发因素的作用下，传统的水凝胶会表现出显著的体积变化（膨胀-收缩）。这些水凝胶的机械行为和驱动性能表现出时间依赖性，从根本上受所施加外部刺激的影响[12]。将这类凝胶作为“智能”或“智慧”材料系统，集成感知、信号处理和驱动功能，已在多种应用中得到探索，包括但不限于人工肌肉、可控药物输送平台[13,14]、组织工程用细胞培养基质[15]、纯化和分离系统[15]、生物传感器[16,17]、形状记忆材料[18,19,20]以及分子识别系统[21]。然而，这些传统水凝胶的功能实现高度依赖于外部物理或化学信号的持续输入。一旦刺激信号消失，它们的功能也会停止。虽然这种依赖性赋予了材料动态调节能力，但也限制了它们在无缆、微型化和仿生系统中的应用潜力。
然而，除了传统的响应能力之外，非平衡状态下的自发节律性（自主性）是生物系统的核心和独特功能。这一概念指的是产生具有时间周期性的自发、规律性变化，通常被称为“时间结构”。典型的例子包括心跳、脑电波、人体内的激素分泌、细胞周期和昼夜节律。近年来，能够在没有持续外部刺激的情况下自发产生周期性机械变形的材料系统受到了广泛关注。其中，自振荡凝胶（SOGs）凭借其独特的“化学-机械”耦合特性，为智能材料领域实现自主和可持续功能提供了重要方向[22,23,24,25]。与需要外部信号开关的传统响应性水凝胶不同，SOGs利用内部化学反应（如Belousov-Zhabotinsky (B-Z)反应）来维持连续运动，这代表了软材料设计的一个范式转变。
SOGs是一种化学驱动的智能材料，突破了传统响应性材料的局限。其核心机制[23,26,27,28,29]在于通过内部化学反应直接将化学能转化为机械能，最显著的是B-Z反应。以B-Z反应为例，接枝在聚合物链上的钌催化剂在氧化状态（亲水性）和还原状态（疏水性）之间周期性振荡，从而驱动凝胶网络进行自发且连续的膨胀-收缩循环。这一过程不需要外部电场、磁场或周期性刺激，仅依靠周围溶液中恒定的反应物供应，就可以维持数小时甚至数天的连续振荡，为自主化学微泵[22]等新型应用提供了可能。因此，在B-Z反应过程中，自振荡凝胶的体积振荡与凝胶网络亲水性的周期性变化同步[30,31,32]。与传统响应性水凝胶和材料相比，SOGs具有无需编程外部信号调节即可产生自主、持续周期性运动的显著优势[33,34,35,36]。这种内在的自主性大大减少了对外部复杂控制系统的依赖性，在微机器人驱动、可控药物释放和能量收集等领域具有巨大的应用潜力。
在能量收集领域，压电悬臂[37,38,39]作为一种典型的智能驱动结构，是高效的能量转换装置，能够将机械能转化为电能，并已得到广泛研究。这种能量转换原理也应用于其他智能系统，如基于压电凝胶的传感器[40]。压电悬臂利用压电材料的直接压电效应[41,42,43]。当受到外部机械振动刺激时，悬臂梁会发生弯曲变形，从而在压电材料内部产生极化电荷，实现从机械能到电能的转换。目前，研究人员在结构设计[44,45,46]、材料选择[47,48]以及压电悬臂振动模式的优化[49,50]等方面进行了大量工作，旨在提高其能量收集效率和运行稳定性。然而，传统压电悬臂的能量收集依赖于外部环境中的自然振动（机械振动[51,52]和声学振动[42,53]等），这些振动往往具有随机性和低强度，限制了压电悬臂的能量收集性能和应用场景。因此，寻找一种为压电悬臂提供稳定且连续驱动力的方法成为提高其能量收集效率的关键问题之一。自振荡凝胶的自主、周期性机械变形为这一挑战提供了有前景的解决方案，为这类能量收集器提供了潜在的、可控的机械能量来源。
鉴于SOGs能够自发产生周期性机械运动的特性，本文提出将SOGs与压电悬臂结合，利用SOGs的自振荡行为来驱动压电悬臂的振动，从而实现稳定且连续的电压输出。本文的主要研究内容包括：首先，设计和制备具有双重交联网络结构的SOGs（NPC凝胶），这些凝胶具有稳定的自振荡性能，并系统研究催化剂含量与其振荡频率和幅度等性质之间的关系；其次，设计和制备由SOGs驱动的压电悬臂装置，并将NPC凝胶单元与悬臂梁单元串联连接以提高能量传输效率；最后，连接到计算机终端测试装置的电压输出性能，并分析SOGs的振荡特性对压电悬臂梁电压变化的影响。通过深入研究SOGs与压电悬臂梁之间的协同机制，鉴于SOGs本身可以制备成微尺度尺寸，而压电悬臂也可以设计得非常紧凑，它们的结合有望形成微型能量收集装置。这可以满足微纳电子器件等对小规模能量供应系统的需求，为解决微纳器件的能量供应问题提供新的思路和方法。
