Nanocellulose-mediated bilayer hydrogel actuators with thermo-responsive, shape memory and self-sensing performances

执行机构 材料科学 双层 形状记忆合金 软机器人 人工肌肉 智能材料 纳米纤维 纳米技术 复合材料 计算机科学 化学 人工智能 生物化学
作者
Yuanyuan Ma,Ya Lu,Yiying Yue,Shuijian He,Shaohua Jiang,Changtong Mei,Xinwu Xu,Qinglin Wu,Huining Xiao,Jingquan Han
出处
期刊:Carbohydrate Polymers [Elsevier BV]
卷期号:335: 122067-122067 被引量:81
标识
DOI:10.1016/j.carbpol.2024.122067
摘要

Inspired by creatures, abundant stimulus-responsive hydrogel actuators with diverse functionalities have been manufactured for applications in soft robotics. However, constructing a shape memory and self-sensing bilayer hydrogel actuator with high mechanical strength and strong interfacial bonding still remains a challenge. Herein, a novel bilayer hydrogel with a stimulus-responsive TEMPO-oxidized cellulose nanofibers/poly(N-isopropylacrylamide) (TOCN/PNIPAM) layer and a non-responsive TOCN/polyacrylamide (TOCN/PAM) layer is proposed as a thermosensitive actuator. TOCNs as a nano-reinforced phase provide a high mechanical strength and endow the hydrogel actuator with a strong interfacial bonding. Due to the incorporation of TOCNs, the TOCN/PNIPAM hydrogel exhibits a high compressive strength (~89.2 kPa), elongation at break (~170.7 %) and tensile strength (~24.0 kPa). The prepared PNIPAM/TOCN/PAM hydrogel actuator performs the roles of an encapsulation, jack, temperature-controlled fluid valve and temperature-control manipulator. The incorporation of Fe3+ further endows the bilayer hydrogel actuator with a synergistic performance of shape memory and temperature-driven, which can be used as a temperature-responsive switch to detect ambient temperature. The PNIPAM/TOCN/PAM-Fe3+ conductive hydrogel can be assembled into a flexible sensor and generate sensing signals when driven by temperature changes to achieve real-time feedback. This research may lead to new insights into the design and manufacturing of intelligent flexible soft robots.
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