工程水凝胶从玻璃表面拉开。该材料显示出与肌腱和骨界面相当的“坚韧的湿粘合”的性质。界面处的波浪边缘不稳定性是刚性表面上强粘附的软材料的标志。图片：Felice Frankel
大自然发明了创新的方法来解决这个黏糊糊的挑战:贻贝和藤壶顽强地将自己粘在悬崖表面、船体，甚至鲸鱼的皮肤上。同样地，肌腱和软骨以令人难以置信的坚固性粘在骨头上，使动物具有灵活性和敏捷性。
在所有这些情况下，天然的粘合剂是水凝胶——一种水和粘性材料的粘性混合物，创造了一个坚韧和持久的粘合剂。
现在工程师在麻省理工学院开发了一种制造合成，粘性水凝胶的方法，这些方法是90％以上的水。作为透明，橡胶状材料的水凝胶可以粘附到玻璃，硅，陶瓷，铝和钛等表面上，韧性与骨骼上的肌腱和软骨之间的粘合相当。
在实验中展示其稳健性，研究人员在两个玻璃板之间施加了一个小平方的水凝胶，然后它们悬浮在55磅重量。它们还将水凝胶粘合到硅晶片中，然后它们用锤子粉碎。虽然硅碎了，但它的碎片仍然堵塞。
这种耐久性使水凝胶成为水下表面上的保护涂层的理想候选者，如船和潜艇。随着水凝胶的生物相容性，它也可以适用于一系列与健康相关的应用，例如用于导管的生物医学涂层和植入体内的传感器。
“您可以想象使用这种非常强大，粘合剂，柔软的材料的新应用，”罗伯特N.Noyce职业发展助理教授在机械工程系中的罗伯特N.诺克。例如，赵的小组目前正在探索软机器人中的水凝胶，其中材料可以用作合成肌腱和软骨，或柔性接头。
“这是一种非常坚韧的粘性凝胶，主要是水，”机械工程研究生、一篇有关该研究的论文的主要作者Hyunwoo Yuk说。“基本上，粘合水是很困难的。”
赵和他的学生今天在期刊上发布结果自然材料．
一个壮丽的锚点
赵发现，一种坚韧、灵活、结合强烈的水凝胶需要两个特性:能量耗散和化学锚定。耗散能量的水凝胶本质上能够在不保留所有用于拉伸的能量的情况下显著拉伸。化学锚定水凝胶通过共价键将其聚合物网络附着在表面上。
“化学锚固加上体积耗散导致了坚固的粘结，”赵说。“肌腱和软骨利用这些，所以我们真的是从自然中学习这一原理。”
在开发水凝胶的过程中，Yuk将一种溶于水的分散性成分混合在一起，创造出一种有弹性的橡胶材料。然后，他将水凝胶放置在不同的表面上，如铝、陶瓷、玻璃和钛，每个表面都用功能性硅烷修饰，硅烷分子在每个表面及其水凝胶之间产生化学连接。
然后，研究人员使用标准的剥离试验测试水凝胶的粘合，其中它们测量了从表面剥离水凝胶所需的力。平均而言，他们发现水凝胶的债券与每平方米1,000焦耳一样艰难 - 与骨骼上的肌腱和软骨相同。
Zhao Group将这些结果与现有的水凝胶相比，以及弹性体，组织粘合剂和纳米颗粒凝胶，发现新的水凝胶粘合剂具有更高的含水量和更强大的粘合能力。
“我们基本上破坏了水凝胶的粘结韧性的世界纪录，它受到自然的启发，”尤克说。
粘性机器人
除了用锤子和重量测试水凝胶的韧性外，赵和他的同事还探索了它在机器人关节中的应用，用小的水凝胶球体连接短管道，模拟机器人的四肢。
“水凝胶可以作为驱动器，”赵说。“不用传统的铰链，你可以使用这种与刚性材料紧密结合的软材料，它可以给机器人更多的自由度。”
研究人员还将其应用作为电导。YUK和其他学生将盐添加到水凝胶样品中，并将水凝胶连接到两个金属板通过电极连接到LED光。他们发现水凝胶使电循环内的盐离子流动，最终照亮了LED。
Yuk补充道:“我们为水凝胶-金属混合导体创造了非常坚固的界面。
赵的团队目前最感兴趣的是探索水凝胶在软机器人和生物电子学中的应用。
“由于水凝胶含有超过90％的水，因此可以将粘合剂视为水粘合剂，其比天然胶水更加艰难，例如在谷仓和贻贝中，以及生物启发水下胶水，”赵说。“这项工作对了解生物粘附，以及水凝胶涂层，生物医学装置，组织工程，水处理和水下胶水等实际应用具有重要意义。”
这项研究得到了海军研究办公室和国家科学基金会的部分支持。
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