基于导电聚吡咯/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的多响应自感知柔性执行器

时间：2026年2月5日

来源：Sensors and Actuators A: Physical

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双响应自传感水凝胶的制备及其在软机器人中的应用。通过原位聚合将导电聚吡咯（PPy）纳米颗粒均匀嵌入聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）网络，构建双层水凝胶执行器（PNIPAM/PPy//PAA-Fe³⁺/黏土）。该材料兼具热响应弯曲变形和近红外光热转换特性，其内置PPy导电网络实现实时电阻变化反馈，导电率达1.24 S/m，应变传感器量程因子3.44。成功应用于自主抓取、流体阀门控制及花瓣形变编程等仿生功能。

毛亚玲|高敏娟|钱长豪|张宁|苗润天|范星宇|李月琴

中国南京林业大学化学工程学院，江苏省森林资源高效加工与利用协同创新中心，南京210037

摘要

聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）纳米复合水凝胶最近作为软水凝胶执行器的新候选材料而受到关注。然而，实现对外部刺激的自主响应并同时提供关于其运动状态的实时反馈，仍然是PNIPAM水凝胶执行器面临的关键挑战。本文中，通过多次原位聚合步骤将导电聚吡咯（PPy）纳米颗粒均匀地掺入PNIPAM网络中。通过直接粘附到PAA-Fe³⁺/粘土被动水凝胶层上，成功制备了PNIPAM/PPy//PAA-Fe³⁺/粘土双层水凝胶执行器。该水凝胶执行器在热刺激下表现出快速的弯曲变形能力，能够在热水中实现快速的物体抓取和提升动作。嵌入水凝胶基质中的PPy网络起到了有效的光热作用，在近红外（NIR）光照射下促进了稳定且可重复的温度升高。因此，PNIPAM/PPy水凝胶具备了多种仿生功能，包括模拟手势、模仿捕蝇草叶片的闭合、控制流体阀门以及可编程的花瓣弯曲。值得注意的是，PNIPAM/PPy水凝胶具有优异的导电性（1.24 ± 0.04 S/m），并且可以制成应变传感器，其灵敏度（GF）高达3.44，同时具备快速的响应速度和出色的耐用性。利用这些综合性能，PNIPAM/PPy水凝胶能够通过实时电阻变化检测弯曲和举重动作，从而在单一材料中实现自感知执行功能。这一独特设计凸显了该材料在软体机器人应用中的巨大潜力。

引言

近年来，由于纳米尺度特性带来的独特刺激响应机制，刺激响应型纳米复合水凝胶得到了广泛研究。在外部刺激（如溶剂、湿度、温度、光、pH值以及电场/磁场）的作用下，水凝胶能够恢复形状变形，因此在夹具、传感器、阀门、软体机器人等领域具有广泛的应用潜力[1]、[2]、[3]。聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）被广泛用于构建刺激响应型水凝胶[4]，因为它在较低临界溶解温度（LCST，约32°C）附近表现出明显的热响应特性。基于PNIPAM的水凝胶不仅具有良好的生物相容性，还可以通过共聚、混合和与其他聚合物网络的互穿来实现机械强度的调节[5]。此外，PNIPAM基水凝胶的结构已经从均质形式发展为更复杂的配置，包括层状结构、梯度结构和各向异性网络，从而赋予这些材料快速执行能力[6]、[7]。然而，大多数报道的PNIPAM水凝胶执行器只能实现“刺激-变形”的单向控制过程，这与生物体中的“识别-判断-执行”高级智能行为仍有很大差距[8]、[9]。例如，自然界中的智能生物如章鱼[10]、水母[11]和蠕虫[12]可以利用其神经系统识别外部环境条件和自身姿态，然后决定是否移动身体。相比之下，现有的基于PNIPAM的执行器缺乏自主判断能力，这限制了它们在软体机器人中的实际应用。因此，开发具有自感知功能的PNIPAM水凝胶执行器具有重要意义。

最近，人们投入了大量努力将传感功能引入软水凝胶执行器[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。已经探索了多种策略来结合传感和执行功能，最简单的方法是将不同的传感组件物理组合起来构建软执行器。例如，傅等人将热响应型PNIPAM水凝胶与高度排列的碳纤维复合[18]，赋予仿生各向异性自感知水凝胶执行器超高的灵敏度。陈等人将CNTs-Ecoflex传感层与PNIPAM执行水凝胶层结合，形成软执行器，为执行性能提供实时传感反馈信号[19]。钟等人直接组装了传感层水凝胶、执行层P(NIPAM-HEMA)水凝胶和蛇形铜加热器，形成了多层结构[20]，为软体自感知机器人提供了传感-执行一体化的多层水凝胶肌肉。陈等人还通过将含有PDA-HGMP的水凝胶执行器与超薄硅基压力传感器结合，开发了自感知执行器[21]。然而，当PNIPAM活性水凝胶层与其他传感材料复合以提升性能时，由于兼容性问题，材料之间的协同反馈机制在外部刺激下无法有效建立[22]。

另一种制造自感知PNIPAM水凝胶执行器的方法是将PNIPAM水凝胶与导电聚合物（聚苯胺（PPy）、聚吡咯（PPy）和PEDOT:PSS）结合，因为这些材料具有高的光热转换效率、优异的电化学性能和低成本[23]、[24]、[25]。PNIPAM与导电聚合物的结合并非简单的掺杂过程；相反，它们可以形成强分子间相互作用（如范德华力、氢键）。与无机纳米填料（碳材料[26]、[27]、MXenes[28]、MoO₂[29]等）不同，这种复合体系不易聚集，能够形成更均匀的复合网络，从而确保传感信号的稳定性。然而，制备导电聚合物均匀分布的PNIPAM水凝胶仍然是一个耗时且复杂的过程。例如，何等人使用冰模板、紫外聚合和冷冻聚合工艺制备了PNIPAM/PANI体感执行水凝胶[30]，以及通过复杂的溶剂交换步骤制备了PPy/P(NIPAM-co-AA-co-HEMA)纳米凝胶[31]。我们的团队通过两步工艺在PNIPAM基水凝胶中原位生长了PANI[32]、[33]，但制备过程耗时超过12小时。因此，探索PNIPAM/导电聚合物复合水凝胶的快速制备方法及其自感知能力具有重要意义。

本文中，导电聚吡咯（PPy）纳米颗粒在聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）交联的PNIPAM网络中快速原位生长。所得到的PNIPAM/PPy作为活性执行层，直接粘附到PAA-Fe³⁺/粘土被动层上，形成了PNIPAM/PPy//PAA-Fe³⁺/粘土双层水凝胶执行器。嵌入的PPy纳米颗粒不仅赋予水凝胶光热转换能力，还构建了稳定的导电网络。值得注意的是，这种双层水凝胶在热刺激和光热刺激下都能实现多种变形。此外，均匀的PPy导电网络通过压阻传感机制实现了对人类运动的实时检测。在近红外（NIR）光刺激下，双层水凝胶的PNIPAM/PPy组分表现出复杂的执行行为，同时保持了自感知功能。这种集成水凝胶系统同时展示了出色的传感和执行性能，为设计和制造具有自反馈功能的下一代水凝胶执行器提供了新的见解。

材料

N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，分子量=600）、吡咯（Py）、甲基丙烯酰胺（MBAA）、过硫酸铵（APS）、光引发剂1173、丙烯酸（AA）和无水三氯化铁均从Aladin Chemical Reagent Co., Ltd.（中国上海）购买。Laponite XLG（[Mg₅.34Li₀.66Si₈O₂₀(OH)₄]Na₀.66，称为粘土）从Rockwood购买。所有化学品均按原样使用。

PNIPAM/PPy水凝胶的制备

首先，制备了通过PEGDA胶束交联的PNIPAM水凝胶。

结果与讨论

PNIPAM/PPy水凝胶的制备过程如图1a所示。具体来说，由NIPAM、PEGDA和光引发剂1173组成的前驱体溶液在紫外光照射下生成了透明PNIPAM水凝胶。需要注意的是，交联剂PEGDA可以在水溶液中形成粒径为200–300 nm的大分子胶束（图S1）。这些胶束可以作为PNIPAM网络中能量耗散的牺牲单元[34]。

结论

总结来说，我们通过多次原位聚合步骤成功开发了一种新型的近红外（NIR）光驱动PNIPAM/PPy水凝胶，以及通过直接粘附方法制备了PNIPAM/PPy//PAA-Fe³⁺/粘土双层水凝胶执行器。该水凝胶执行器在热刺激下表现出快速的弯曲变形能力，使得基于该水凝胶的软体机器人能够在热水中抓取和提升物体。嵌入水凝胶基质中的PPy网络起到了

CRediT作者贡献声明

毛亚玲：研究、数据分析。高敏娟：资源获取、方法论设计、数据分析、数据分析。李月琴：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、指导。苗润天：数据管理、概念构思。范星宇：软件开发、资源获取、方法论设计、数据分析。钱长豪：验证、软件开发、数据分析。张宁：数据可视化、验证、软件应用。