科普介绍

 水凝胶-软基质体系的相互作用机理研究

自从人类开始从信息时代迈入智能时代,人工智能和生物医学等技术正在成为本世纪科学研究的主旋律。在此基础上,智能机器人技术在未来将会渗透进人类生活的方方面面,并且使人类与机器的界限越来越模糊,机器与人体的结合在可预见的未来是一个必然的趋势。这种趋势会促进医疗领域的个性化,柔性器件的普及化,可穿戴设备的商用化等。因此,在未来机器不再是冰冷的金属机械结构,它可能会成为粘附在我们身体上,甚至是长在我们器官上的软机器。人体器官(例如大脑,脊髓,心脏,肌肉和皮肤等)大多与水凝胶有相似的力学和化学特性,它们柔软且富含水分。而目前常见的电子器件和产品大多有金属、硅、陶瓷、玻璃和工程塑料组成,它们坚硬易碎且无法与生物体直接相容。因此,寻找且优化一种可以胜任人体与各种电子器件交互的材料成为最前沿的课题之一。长期,稳定和高效的人机界面有可能带来前所未有的颠覆性革命。

麻省理工学院的赵选贺课题组在2019年发表的综述(Yuk et al,.2019)中阐明,水凝胶是唯一一种可能成为人机交互作用界面的材料的,并提出水凝胶生物电子学的概念。目前,该方向的应用主要分为4个子方面:1)水凝胶封装技术,包括涂层与胶囊化;2)离子导电水凝胶的力学和电学特性;3)导电纳米复合水凝胶;4)导电聚合物水凝胶。以上研究都包含水凝胶表面与另外一种基质的相互作用,涉及断裂韧性,界面强度,导电特性和生物相容性等诸多问题。本课题组主要专注于基于以上现实应用的底层机理,发展更新更实用的水凝胶本构理论,水凝胶-软基质界面和断裂理论,为实际的工程应用提供理论支持。

 

 

 水凝胶在实际应用过程中会经常伴随着吸水和失水的过程,我们对这一动态过程进行了理论研究,推导出了均质水凝胶随时间响应理论解。该理论可以适用于不同响应下的情况。响应可包括化学势,温度,静水压等等。

 

 水凝胶可能要应用于各种变化多端的环境,因此含水量一定会随着环境的变化而变化。我们发现水凝胶的模量和硬度会随着含水量的改变而发生剧烈变化。我们惊奇的发现,水凝胶的杨氏模量与其含水量满足幂率关系。并且在失水和吸水两种过程中满足不同的标度率。并且不同类型的水凝胶,标度率是不同的,但是依然有普适性。

 

 

 

 

 

 

利用水凝胶大变形理论解释一些奇妙的自然现象
自然界充满了神奇,我们生长在这个奇妙的世界中。自然界动植物的生长充满了迷人的复杂模式和形状。人们观察到植物的生长过程可产生各种有趣而复杂的三维形状:如正螺旋形和反螺旋形的仙人掌,园型仙人掌上的肋骨可呈现出平行四边形图形,南瓜表面会出现复杂的脊谷图貌。而松树锥和向日葵头的图案又显示出交叉的螺旋形状。达尔文曾经说过, “迷人的植物图案可以驱使人具有疯狂想象”。人们可能会问自然界生物为何长得如此奇妙?自然植物为何生长的千奇百怪?为什么圆形南瓜有十个等距纵脊,而另一种长南瓜约有二十个纵脊?为什么一个哈密瓜表面呈现出网状混合山脊和明显的纬度形态模式?人们虽然早就认识到植物叶子和花瓣是由不同模式的图形组成,或呈现出对称或反对称螺旋图型,这些自然结构形成的物理机制和变形机制是什么?如何解释形态的发生与这些植物的自然生长?我们如何理解这些表面形貌与基因的关系?这些问题一直困扰着许许多多的研究者。近一个世纪来,科学家都试图用各种各样的理论、方法来解释这些现象。一个最简单而普遍答案可能是,力产生的变形及屈曲是造成这些模式形成的主要原因,在动植物生长过程中动植物的总势能总是趋于最小化,它可能是动植物进化时表面出现褶皱变形的成因。另外一些研究人员认为化学和生物物理学是某些植物和动物的形态形成的主因,例如,生长激素作为化学信号及成长的动力作为物理信号可影响植物顶端材料使其产生不同的植物形态。虽然答案尚不完全清楚,但是人们试图利用力学原理解释这些奇妙现象的努力从未停止。
例如早在上个世纪90年代,著名力学家斯坦福大学Charles R. Steele教授和他的研究组就通过实验研究、理论分析和仿真模拟来证明机械应力和变形在植物模式变形中起着关键的作用。他们尝试用弹性梁、板、壳结构来解释某些自然现象。但是,他们所用的材料主要是工程材料,其材料的弹性本构关系是线弹性。实际上植物及生物界的材料特性不同于一般工程材料。虽然他们对某些动植物的形态做出来某些解释,但这种解释并不是非常合适的。由于凝胶材料同动植物材料相似,都含有大量的液体,并且凝胶的溶胀与动植物早期生长的过程类似。所以利用凝胶材料来代替工程材料可能是一种更好的选择。近年来,随着软物质力学的快速发展,水凝胶变形的本构理论和模拟水凝胶变形的数值方法取得了巨大的突破。我们(西安交通大学刘子顺研究组)借助于水凝胶非均质大变形的理论,发现自然界中许多有趣现象可以用水凝胶大变形理论及扩散理论得到很好的解释和模拟。例如我们利用凝胶状溶胀变形研究了树叶的生长和枯萎过程(Liu et al., 2010),模拟结果同实际生长变形过程吻合较好。我们还利用结构的稳定屈曲理论揭示了水果生长时由于屈曲变形产生的奇妙形状( Liu et al., 2012; Chen et al., 2014;),此研究中我们利用化学势的变化来模拟水果生长的生长过程。利用凝胶圆环结构的溶胀过程中产生的屈曲现象来解释一些花环的产生(Zhang et al., 2014),揭示了甘蓝花形成的奇妙现象等等(如图1所示)。比如,南瓜在生长的过程中会在头部产生屈曲,形成瓣状,我们利用水凝胶在受约束的条件下进行吸水的过程同这一现象进行比拟,结果发现,在水凝胶吸水溶胀过程中也会产生相同的屈曲的现象,此模拟过程可以解释一些瓜果的形态(如图2所示)。通过生涩期到成熟期的化学势变化改变以及边界条件的施加,我们进一步模拟了苹果和辣椒的生长过程。三种不同脉络结构的叶子的干燥过程以及圆环板形状的卷心菜屈曲都进行了研究(如图3所示)。即在凝胶非均匀场理论基础上从力学角度说明水果和植物的纹路生长形态。不仅如此,我们也希望利用水凝胶的大变形理论来解释一些动物体的生长现象,为生命科学提供力学理论支持,例如利用水凝胶代替人工关节等。
因此力学应用无处不在,水凝胶非均匀场理论可用来更加合理解释一些动植物的生长过程及一些自然现象。无论从工程应用和科学研究方面看,软物质力学的研究将具有极大的应用前景。
图1 自然界中奇妙的生长现象。(a) 树叶的生长;(b)树叶的枯萎;(c)南瓜的瓣状;(d)花环的产生
图2 水凝胶大变形理论对于自然现象的模拟。(a)树叶的吸水;(b)树叶的失水;(b)南瓜的生长;(d)花环的产生。
 
图3 通过凝胶材料模拟蔬果植物的生长形态
 
 
Chen, L., Zhang, Y., Swaddiwudhipong, S., Liu, Z., 2014. Mimicking The Pattern Formation Of Fruits And Leaves Using Gel Materials. Structural Engineering & Mechanics 50, 575-588.
Liu, Z., Hong, W., Suo, Z., Swaddiwudhipong, S., Zhang, Y., 2010. Modeling And Simulation Of Buckling Of Polymeric Membrane Thin Film Gel. Computational Materials Science 49, S60-S64.
Liu, Z., Swaddiwudhipong, S., Hong, W., 2012. Pattern Formation In Plants Via Instability Theory Of Hydrogels. Soft Matter 9, 577-587.
Zhang, Y., Chen, L., Swaddiwudhipong, S., Liu, Z., 2014. Buckling Deformation Of Annular Plates Describing Natural Forms. International Journal of Structural Stability & Dynamics 14, 1350054-.

 

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