软材料组合的新途径

每一个复杂的人类工具，从第一矛到最新的智能手机，都包含了多种材料：楔入、绑、拧、粘或焊接在一起。但下一代的工具，从自主的粘糊糊的机器人灵活的服饰，将软。把多个软材料组合成一个复杂的机器需要一个全新的工具箱-毕竟，没有软螺丝这样的东西。

图片说明：油炸水凝胶在矿物油在120 °C.涂覆水凝胶释放水蒸气，特别是如果该水凝胶的表面与碳粉污染。与此相反，弹性体涂层水凝胶仍然保持静止，无论水凝胶是否干净或被污染。

现有的方法结合软材料是有限的，依靠胶水或表面处理，可以限制制造过程。例如，在3D打印过程中每滴墨水脱落之前，使用胶水或进行表面处理是没有意义的。但是现在，来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院的研究人员已经开发出一种新的方法，可以在不依赖于制造过程的情况下，对多种软材料进行化学键合。原则上，该方法可以应用于任何制造过程，包括3D打印和涂层。这项技术为制造更复杂的软机器打开了大门。

水凝胶和弹性体分别模制，然后与夹在中间的石蜡薄膜接触。固化后，水凝胶和弹性体之间的接触区域形成键合，而石蜡区域则不形成。结合保持不变为喷嘴膨胀的水凝胶在气球。

“这种技术允许我们在各种制造工艺结合各种水凝胶和弹性体在不牺牲性能的材料，”齐汉柳说，在海洋和文章的共同第一作者博士后。“我们希望这将为快速原型制造和大规模生产用于医疗、时尚和增强现实的仿生软设备铺平道路。”

研究人员把重点放在两个最常用的建筑软设备，水凝胶（导体）和弹性体（绝缘体）。为了使材料结合起来，研究小组将化学偶联剂加入到水凝胶和弹性体的前体中。偶联剂看起来像小尾巴的分子手。当前体形成物质网络时，偶联剂的尾部附着在聚合物网络上，而手保持开放。当水凝胶和弹性体在制造过程中结合时，自由的手穿过物质边界并摇动，在两种材料之间产生化学键。握手的时间可以通过温度和催化剂等多种因素来调节，从而在粘接发生之前允许不同的制造时间。

研究人员表明，这种方法可以粘合两块浇铸的材料，如胶水，但不在接口上涂胶层。该方法还允许在不同的序列中涂覆和打印不同的软材料。在任何情况下，水凝胶和弹性体都会形成牢固而持久的化学键。

“软设备的制造涉及到整合的水凝胶和弹性体的几种方法，包括直接连接，铸造，涂料，印刷，”灿慧洋说，在海洋和文章的共同第一作者博士后。“尽管目前的每种方法只适用于两种或三种制造方法，但我们的新技术是通用的，可以使所有不同的方法集成材料。”

研究人员还证明了水凝胶，顾名思义，主要是水，可以通过粘结涂层在高温下耐热，延长了水凝胶基设备的使用温度范围。例如，一种基于水凝胶的可穿戴设备现在可以在不煮沸的情况下进行熨烫。

“最近的一些研究结果表明，水凝胶可以使电气设备远远超出想象，”支刚所说，Allen E.和Marilyn M. Puckett在海洋和论文资深作者力学和材料学教授。这些装置模仿肌肉、皮肤和轴突的功能。与微电子中的集成电路一样，这些器件通过集成不同的材料来实现功能。这项工作使软材料在不同的制造过程中有很强的附着力。可以想象的是，集成的软材料将使氨纶喜欢触摸板和显示一个可以穿，洗，和铁。”

本研究合著者郭东念和绍兴区浙江大学。它是由美国国家科学基金会通过哈佛大学材料科学与工程研究中心（MRSEC）。