东京农业科技大学 (TUAT) 的研究人员开发出了用于制造精细结构的柔软、灵活和可膨胀材料(称为水凝胶)的新选择。
他们的工作扩展了“剪纸水凝胶”这一新兴领域，其中图案被切割成薄膜，使其随后膨胀成复杂的水凝胶结构。该研究发表在《先进材料科学与技术》杂志上。
水凝胶具有吸水(亲水)分子网络，当暴露于水并融入分子网络时，其结构会大幅膨胀。研究人员中川大辅和花崎五雄研究了一种由纤维素纳米纤维组成的干膜，纤维素是构成植物细胞壁大部分结构的天然材料。
他们使用激光加工将结构切割成薄膜，然后添加水以使薄膜膨胀。剪纸图案的特殊设计是这样的，当纵向拉伸时，宽度会增加，这被称为拉胀特性。如果原始薄膜湿润时厚度充分增长，就会出现这种拉胀特性。
“由于 Kirigami 字面意思是纸张的切割设计，它最初是用于薄片结构。另一方面，当薄片厚度足够时，我们的二维拉胀机制就会显现出来，而水凝胶结构的这种三维性使用时会因膨胀而出现。使用前将其储存在干燥状态比保持水凝胶相同的含水量更方便。”Hanasaki 说。
“此外，在循环加载过程中保持拉胀性，导致水凝胶自适应变形达到另一种结构状态。这对于智能材料的设计非常重要。”
自适应水凝胶的潜在应用包括机器人技术的软组件，例如，使它们在与所操纵的物体交互时能够灵活响应。它们也可能被整合到软开关和传感器组件中。
水凝胶还被探索用于医疗应用，包括组织工程、伤口敷料、药物输送系统和能够灵活适应运动和生长的材料。TUAT 团队在剪纸水凝胶方面取得的进步显着扩展了未来水凝胶应用的选择。
花崎总结道：“保持设计特性，同时表现出对环境条件的适应性，有利于多功能性的发展。”
