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Tunable Light-Responsive Polyurethane-urea Elastomer Driven by Photochemical and Photothermal Coupling Mechanism

材料科学 光热治疗 聚氨酯 弹性体 光化学 机制(生物学) 光热效应 尿素 联轴节(管道) 光电子学 化学工程 纳米技术 复合材料 有机化学 化学 哲学 工程类 认识论
作者
Lei Wu,Huang Xia,Meng Wang,Jishizhan Chen,Jinke Chang,Han Zhang,Xuetong Zhang,Andrew T. Conn,Jonathan Rossiter,Martin Birchall,Wenhui Song
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (15): 19480-19495 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.4c00486
摘要

Light-driven soft actuators based on photoresponsive materials can be used to mimic biological motion, such as hand movements, without involving rigid or bulky electromechanical actuations. However, to our knowledge, no robust photoresponsive material with desireable mechanical and biological properties and relatively simple manufacture exists for robotics and biomedical applications. Herein, we report a new visible-light-responsive thermoplastic elastomer synthesized by introducing photoswitchable moieties (i.e., azobenzene derivatives) into the main chain of poly(ε-caprolactone) based polyurethane urea (PAzo). A PAzo elastomer exhibits controllable light-driven stiffness softening due to its unique nanophase structure in response to light, while possessing excellent hyperelasticity (stretchability of 575.2%, elastic modulus of 17.6 MPa, and strength of 44.0 MPa). A bilayer actuator consisting of PAzo and polyimide films is developed, demonstrating tunable bending modes by varying incident light intensities. Actuation mechanism via photothermal and photochemical coupling effects of a soft–hard nanophase is demonstrated through both experimental and theoretical analyses. We demonstrate an exemplar application of visible-light-controlled soft "fingers" playing a piano on a smartphone. The robustness of the PAzo elastomer and its scalability, in addition to its excellent biocompatibility, opens the door to the development of reproducible light-driven wearable/implantable actuators and lightweight soft robots for clinical applications.
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