基于垂直交联梯度离焦光刻技术的水凝胶双响应结构：液体成分检测与程序化驱动新策略

本研究针对传统异质结构水凝胶制备复杂、响应灵敏度不足等问题，通过离焦掩模光刻系统（DMD）构建具有垂直交联密度梯度的单材料水凝胶结构。该结构在无水乙醇中呈现可控曲率，能通过吸湿膨胀实现3%水分变化的无器械检测，并基于温度依赖的溶液-聚合物相互作用开发可逆驱动器（如夹持器和行走机器人）。成果发表于《Sensors and Actuators Reports》，为生物MEMS和软体机器人提供了新型敏感元件与驱动方案。

　　

在智能材料领域，水凝胶因其对外界刺激的动态响应特性备受关注。传统异质结构水凝胶需组合多种材料实现形变功能，但存在制备工艺复杂、界面稳定性差等问题。更棘手的是，现有传感器多依赖电子元件检测液体成分变化，难以在生物相容性要求高的场景应用；而驱动器则面临多材料集成导致的响应迟滞难题。如何通过单材料体系同步实现高灵敏度检测与可控驱动，成为制约该领域发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，国内研究人员在《Sensors and Actuators Reports》发表创新成果。他们采用离焦掩模光刻系统（含DMD数字微镜和40×物镜），通过调控焦平面位置（0至+54 μm）在聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶中构建垂直交联密度梯度。该系统利用物镜聚焦特性，使光强沿纵向呈梯度分布（22.4 mJ/mm²），实现单材料内部不同区域聚合度差异（通过拉曼光谱在1635 cm^-1验证碳双键转化率）。这种独特结构在99.5%乙醇中自发弯曲（曲率半径260-880 μm），其形变程度可通过环境参数精确调控。

湿度响应与传感应用
研究显示，当无水乙醇吸湿导致水分含量增加3%时，水凝胶因聚合物-水相互作用增强而发生溶胀，曲率半径扩大10倍至2500 μm（图2）。这种变化肉眼可见，成功用于监测异常存储条件下乙醇的湿度吸收过程（25°C/60% RH环境24小时吸湿达8%）。区别于传统电化学传感器，该结构无需外部供能即可实现液体成分变化的可视化监测。

热响应与驱动性能
在低水分乙醇中，温度升高（20→60°C）会降低溶液介电常数，使溶液-聚合物相互作用取代聚合物-聚合物相互作用主导体系，导致结构展开（曲率κ从4降至1）。基于此可逆特性开发的夹持器能在低温（20°C）时抓取400 μg铝箔球，高温（60°C）释放（图3）。通过10次冷热循环验证了驱动稳定性，其Young's modulus（1-30 MPa）确保力学可靠性。

仿生机器人集成
通过差异化设计响应区域（4×物镜制备非响应体部，40×物镜制备响应腿部），结合非对称三角步进板（PUA材料），构建出定向行走机器人（图4）。温度循环驱动腿部推拉运动，9次循环后累计位移达显著距离，验证了梯度结构在软体机器人中的实用价值。

这项研究突破传统多材料体系的限制，通过单材料交联梯度设计同步实现传感与驱动功能。其创新性体现在：1）离焦光刻技术精准控制聚合度梯度；2）3%水分变化的高灵敏度检测；3）温度调控的快速可逆驱动。该成果为生物医学检测设备、环境监测传感器和微型机器人提供了新思路，特别是其全高分子材料特性在植入式器械领域展现独特优势。未来通过集成功能纳米颗粒，有望拓展至光/化学多刺激响应系统，推动智能材料向多功能集成方向发展。