CN108623728B - 一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法 - Google Patents

一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。本发明以人造水辉石为交联剂，并引入氧化石墨烯，通过丙烯酰胺类单体聚合，制备得到物理交联的水凝胶，然后经过拉伸及烘干，并将部分凝胶二次吸水处理，得到水凝胶致动器；该水凝胶致动器可通过近红外光照射控制实现扭转和提拉的动作，从而实现非接触式控制下致动器跨越障碍运送物体的过程。

Description

一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动 方法
技术领域
本发明涉及功能性纳米复合材料的智能致动器材料领域，具体涉及一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。
背景技术
水凝胶由于含有大量的水，并且具有完善的三维网络结构赋予其软物质的特性，具有弱刺激-强响应、少添加-大效果、致动条件温和等优点；而软物质致动器特别是水凝胶致动器在智能器件领域的发展日益受到关注。有机/无机杂化水凝胶是包含不相容的无机和有机成分，可以形成纳米尺寸复杂结构的功能材料，使水凝胶在力学强度、响应性等功能方面有了明显提高，其对新型致动器材料的开发和设计具有重要的启发和指导意义，将杂化水凝胶应用于智能致动器的设计与开发，是今后智能柔性材料的研究热点之一。
在凝胶致动器的研究中，形状记忆凝胶致动器可以从临时形状回复到原始形状，为目前研究颇为广泛的一种水凝胶致动器，但是现在的水凝胶致动器一般实现的仅为简单的提升、抓取等动作，并不能实现跨越障碍输送物体等复杂过程。
我们通过引入具有高效快速的光-热转化能力的氧化石墨烯组分，结合温度响应性杂化水凝胶的刺激-响应性、高力学强度及大幅度的形变的承受力，将杂化水凝胶的温度响应性转化为近红外光响应性，从而可以实现对水凝胶刺激的远程非接触式控制，并通过控制水凝胶的含水量实现了干湿凝胶共存以同时实现提拉与跨越障碍的组合运动方式，制备了基于形状记忆水凝胶的近红外光致动的杂化水凝胶致动器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器及其制备方法与致动方法。
本发明的近红外光致动的杂化水凝胶致动器是以人造水辉石为交联剂，并引入氧化石墨烯，通过丙烯酰胺类单体聚合，制备得到物理交联的水凝胶，然后经过拉伸及烘干，并将部分凝胶二次吸水处理，得到水凝胶致动器；借助该水凝胶致动器的干湿凝胶共存特性，可通过近红外光照射控制实现扭转和提拉等动作，从而实现非接触式控制下致动器跨越障碍运送物体的过程。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备杂化水凝胶：将氧化石墨烯、人造水辉石、丙烯酰胺类单体在煮沸并冷却后的去离子水中搅拌均匀得到分散液，通入惰性气体以除去分散液中的氧气，然后加入引发剂和促进剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，最后将反应液加入到模具中并密封，通过聚合反应得到杂化水凝胶；
（2）制备杂化水凝胶致动器：将步骤（1）制备的杂化水凝胶裁剪为长条状，将长条状水凝胶拉伸后固定并烘干，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀，将另一部分进行弯折固定，即得到杂化水凝胶致动器。
进一步地，步骤（1）所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺。
进一步地，步骤（1）所述惰性气体包括氮气和氩气，丙烯酰胺类单体相对于去离子水的浓度为0.5 ~ 3 mol/L，人造水辉石相对于去离子水的质量分数为2% ~ 5%，氧化石墨烯相对于去离子水的浓度为1 ~ 4 mg/mL。
进一步地，步骤（1）所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，促进剂为四甲基乙二胺，引发剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.3% ~ 0.6%，促进剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.5% ~ 1%，聚合反应在20 ℃进行10 ~ 48小时。
进一步地，步骤（2）中拉伸倍数为水凝胶原长度的3 ~ 10倍，烘干温度为40 ~ 120℃，烘干时间为0.5 ~ 2 h，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀时间为1 ~ 10min。
以上所述的制备方法制得的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器。
以上所述的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器致动方法，包括如下步骤：
（1）将杂化水凝胶致动器泡水后重新溶胀的部分使用近红外光照射，此部分可以发生收缩从而完成提拉物体的功能；
（2）将杂化水凝胶致动器的弯折部分使用近红外光照射，此部分可以由弯折转变为伸直状态，从而实现对物体的扭转使物体越过障碍。
进一步地，所述近红外光波长范围为800 ~ 2500 nm，步骤（2）所述近红外光照射水凝胶致动器弯折部分是对弯折处的照射。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点与技术效果：
1. 本发明采用“一锅法”直接聚合得到水凝胶，与传统水凝胶相比，在聚合过程中不加入化学交联剂，合成方法简单，条件可控，水凝胶的性能更加优异。
2. 本发明可以通过控制添加单体与物理交联剂的量来调节水凝胶的强度，同时还可以通过调节近红外光光照射的时间来控制致动的幅度，有利于使致动器根据不同的使用领域和范围进行调节，适用范围更灵活可调。
3. 本发明所提供的杂化水凝胶致动器，创造性地使用干、湿凝胶相结合的方式，结合水凝胶的形状记忆性能，使致动器实现提拉、跨越障碍等多样化的动作。
4. 本发明所提供的杂化水凝胶致动器还可以通过对致动器所完成动作的程序化设计，实现致动器完成更加复杂的致动过程。
5. 本发明所提供的杂化水凝胶致动器，可通过近红外光远程、非接触式刺激水凝胶致动器，在不接触致动器的情况下，使凝胶实现提升和扭转的动作，可以实现对物体跨越障碍的运输；克服了传统水凝胶致动器完成动作简单、无法实现物体跨越障碍的缺陷。
6. 本发明所提供的近红外光致动的杂化水凝胶致动器，基于高力学强度水凝胶，可实现致动器动作的精确化设计，可进一步用于设计非接触式自发致动的柔性机器人、可穿戴设备等智能器件。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。对实施例中得到的水凝胶，所用合成模具由两个玻璃板中间夹一个橡胶圈组成，橡胶圈厚度为2 mm，反应液在中间空腔内聚合成片状水凝胶；采用Huang等ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 12384-12392文献公开的方法测定水凝胶的拉伸断裂强度、断裂伸长率及致动过程。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、0.7108 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.408 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为60 kPa，断裂伸长率为1800%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例2
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、0.7108 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.68 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为100 kPa，断裂伸长率为1680%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例3
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、0.7108 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.816 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为150 kPa，断裂伸长率为1500%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例4
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、1.4216 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.344 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为90 kPa，断裂伸长率为1700%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例5
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、1.4216 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.574 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为160kPa，断裂伸长率为1500%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例6
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、1.4216 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.689 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为200 kPa，断裂伸长率为1450%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例7
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、2.8432 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.344 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为160 kPa，断裂伸长率为1650%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例8
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、2.8432 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.574 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为220 kPa，断裂伸长率为1500%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例9
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、2.8432 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.689 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为250 kPa，断裂伸长率为1420%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例10
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、4.2648 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.408 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为200 kPa，断裂伸长率为1600%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例11
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、4.2648 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.68 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为260 kPa，断裂伸长率为1400%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例12
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、4.2648 g丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.816 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为310 kPa，断裂伸长率为1280%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例13
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、1.031 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.408 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为80 kPa，断裂伸长率为1700%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例14
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、1.031 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.68 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为130 kPa，断裂伸长率为1580%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例15
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、1.031 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.816 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为190 kPa，断裂伸长率为1400%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例16
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、2.062 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.344 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为120 kPa，断裂伸长率为1630%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例17
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、2.062 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.574 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为180 kPa，断裂伸长率为1520%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例18
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、2.062 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.689mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为225 kPa，断裂伸长率为1380%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例19
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、4.124 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.344 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为150 kPa，断裂伸长率为1600%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例20
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、4.124 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.574 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为205 kPa，断裂伸长率为1500%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例21
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、4.124 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氩气除去分散液中的氧气；然后加入0.689 mL过硫酸铵水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为270 kPa，断裂伸长率为1350%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例22
在室温下将0.02 g氧化石墨烯、0.4 g人造水辉石、6.186 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.408 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.005 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合10小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为200 kPa，断裂伸长率为1500%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸3倍后置于40 ℃下烘干2小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀1 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用800 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用800 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例23
在室温下将0.05 g氧化石墨烯、0.6 g人造水辉石、6.186 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.68 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合24小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为260 kPa，断裂伸长率为1380%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸7倍后置于80 ℃下烘干1小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀5 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用1000 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用1000 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
实施例24
在室温下将0.08 g氧化石墨烯、1.0 g人造水辉石、6.186 mL N,N-二甲基丙烯酰胺单体分散在20 mL煮沸并冷却后的去离子水中，搅拌得到均匀的分散液，通入氮气除去分散液中的氧气；然后加入0.816 mL过硫酸钾水溶液（20 mg/mL）与0.01 mL四甲基乙二胺并搅拌均匀，得到水凝胶反应液；将反应液加入到模具中并密封，置于20 ℃下聚合48小时，得到杂化水凝胶；其拉伸断裂强度为325 kPa，断裂伸长率为1250%；将制备的杂化水凝胶裁剪成长条状，拉伸10倍后置于120 ℃下烘干0.5小时，然后将烘干后水凝胶的一端置于水中重新溶胀10 min，再将另一端进行弯折，即得到杂化水凝胶致动器。将水凝胶致动器泡水一端进行固定，烘干一端装载物体，使用2500 nm近红外光照射烘干一端的弯折处，使水凝胶致动器带动物体扭转而偏离障碍物，再使用2500 nm近红外光照射水凝胶致动器泡水部分使其收缩，从而提升物体，实现通过近红外光非接触式的方式控制水凝胶致动器携带物体跨越障碍的过程。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备杂化水凝胶：将氧化石墨烯、人造水辉石、丙烯酰胺类单体在煮沸并冷却后的去离子水中搅拌均匀得到分散液，所述丙烯酰胺类单体包括丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺，所述丙烯酰胺类单体相对于去离子水的浓度为0.5 ~ 3 mol/L，人造水辉石相对于去离子水的质量分数为2% ~ 5%，氧化石墨烯相对于去离子水的浓度为1 ~ 4 mg/mL，通入惰性气体以除去分散液中的氧气，所述惰性气体包括氮气和氩气，然后加入引发剂和促进剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，促进剂为四甲基乙二胺，引发剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.3% ~ 0.6%，促进剂占丙烯酰胺类单体的摩尔比为0.5% ~ 1%，最后将反应液加入到模具中并密封，通过聚合反应得到杂化水凝胶，所述聚合反应在20 ℃进行10 ~ 48小时；
（2）制备杂化水凝胶致动器：将步骤（1）制备的杂化水凝胶裁剪为长条状，将长条状水凝胶拉伸后固定并烘干，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀，将另一部分进行弯折固定，即得到杂化水凝胶致动器，所述拉伸倍数为水凝胶原长度的3 ~ 10倍，烘干温度为40 ~ 120 ℃，烘干时间为0.5 ~ 2 h，将烘干后水凝胶的一部分置于水中重新溶胀时间为1~ 10 min。
2.由权利要求1所述的制备方法制得的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器。
3.如权利要求2所述的一种近红外光致动的杂化水凝胶致动器致动方式，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将杂化水凝胶致动器泡水后重新溶胀的部分使用近红外光照射，此部分发生收缩从而完成提拉物体的功能；
（2）将杂化水凝胶致动器的弯折部分使用近红外光照射，此部分可以由弯折转变为伸直状态，从而实现对物体的扭转使物体越过障碍；
所述近红外光波长范围为800 ~ 2500 nm，步骤（2）所述近红外光照射水凝胶致动器弯折部分是对弯折处的照射。
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