1.1 目的及意义

水凝胶是一种经适度交联而具有三维网络的、亲水但不溶于水的功能高分子材料^[1]。智能水凝胶^[2-4]，又称刺激响应水凝胶，是一类能对外界环境变化具有响应性的水凝胶，其在外界环境刺激因素（包括温度^[5-7]、光^[8-10]、电磁场^[11-13]和溶剂^{[14; 15]}等）影响下，能产生有效响应，使自身的性质（如相态、形状、力学性能^[16]等）随之发生变化，如图1（a）、（b）、（c）所示为智能响应性水凝胶实现跨结构尺度变化。

近年来，基于响应性水凝胶材料的各种功能性器件在智能微机械^[17-19]、软体机器人^[20-22]及生物医学等领域广泛应用。将刺激响应性水凝胶材料同惰性材料相结合，控制不同材料按照特定的图案进行排布，在外界环境刺激下，水凝胶材料会响应环境刺激溶胀或收缩，而惰性材料保持不变，这种复合结构就能够按照设定的图案进行响应性形变。按照这一思路，各种水凝胶自折叠致动器结构^[23-25]、折纸结构^[26-28]被不断报道，如图2（a）、（b）所示为响应性水凝胶致动器的应用。

自折叠致动器结构是指通过智能水凝胶对环境信号的响应使扁平软物质产生形状转换来实现立体结构，这是制造复杂三维形状的替代设计路线，可用于为平面材料添加复杂的表面特征。其可编程性主要体现在通过控制产生平面外弯曲力矩的应力梯度以及内应力构成平面物质的形变。

面向提升宏观水凝胶基器件性质,包括实现快速响应、可控取向及多样化驱动应用，本文拟开展利用紫外光刻的方法制备宏观尺度响应性水凝胶致动器，并对器件的性能及应用进行研究。

1.2 国内外研究现状

在众多天然和合成高分子凝胶中，已被广泛研究的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）^[29]是研究的最详细的敏感高分子，可逆性好，相变转移温度低，故而作为本课题的研究材料。PNIPAM是温度响应性水凝胶，可由市售的单体NIPAM聚合而成，它通过自由基聚合合成且易于官能化，故应用非常广泛。
1984年，日本学者Y.Hirokawa和T.Tanaka等人^[30]第一次报道了聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝胶具有温敏性特征，在低温下溶胀，在高温下收缩，其特点是存在一个温度转变区域一低临界相变温度(LCST)，如图3所示，当水凝胶在低于这一温度时凝胶溶胀，超过该温度则体积迅速收缩。1986年，Pelton等人^[31]首次报道了PNIPAM水性微凝胶的制备与表征，从此智能型微凝胶的研究得到快速发展。

X.B.Zhang等人^[5]制备了一种在环境温度或近红外光刺激下能够实现自折叠功能的复合材料致动器。在使用激光刻蚀图案化的聚乙烯衬底的致动位置加入含有单壁碳纳米管（SWNT）的PNIPAM水凝胶预聚物水溶液，如图4（a）所示，使用365nm紫外光照使水凝胶预聚物溶液聚合就得到了SWNT-PNIPAM复合材料器件。

J.-H.Na等人^[32]利用紫外光刻的方法制备出一种可以实现复杂图案的折纸器件，如图5所示，这种折纸器件由三层组成，具有温度响应性的PNIPAM水凝胶被夹在两薄层图案化的刚性聚对甲基苯乙烯中间。在22℃下，器件按照设定结构折叠为飞鸟。当将水溶液的温度从22℃升高到55℃，PNIPAM 层消溶胀，折痕打开，折纸恢复成近似平整的状态；当将温度降回22℃，会重新折叠为飞鸟结构。

W.J.Zheng等人^[33]制备的以海藻酸铝和PNIPAM水凝胶作为驱动层的双层机械手结构，如图6所示，在温度驱动下能够实现物体的抓取功能，并且通过调节水凝胶中Al³ 的含量能够调节机械手的驱动温度。
D.H.Gracias等人^[34]使用含镍的金属材料和响应性的PNIPAM水凝胶材料制备了一种星型微夹钳结构，在温度的驱动下可以实现展开-闭合功能，使用这种微夹钳结构能够实现生物组织的活体取样，并且微夹钳结构可以磁控回收。结构运动如图6所示。