文章主要内容：
智能变形水凝胶是一类能够感知外界环境并做出形态响应变化的刺激响应材料。浙江大学赵骞课题组结合该领域的最新进展，首先从纳米复合结构、聚集态结构以及网络链段三个方面系统地总结了取向水凝胶制备策略间的差异与特点。随后，重点探讨了取向结构在编程水凝胶变形行为中的机理与影响。最后，梳理了取向水凝胶在软体机器人和生物传感领域的典型应用，并展望了其面临的机遇与挑战。通过总结水凝胶取向结构构筑方法及响应变形行为的研究进展，为进一步发展水凝胶取向结构的构筑和构建驱动-传感一体化的变形体系提供参考。
文章背景：
智能变形水凝胶是一类能感知光、热、pH等外界刺激并发生形态变化的智能材料。其通过内部网络的亲疏水或电离平衡变化实现水交换驱动形变，无需复杂传动系统，具有小型化、集成化优势及良好的生物相容性，广泛应用于智能设备、植入器械和软体机器人等领域。
早期均质水凝胶仅能实现简单体积变化，变形能力有限。近年来，通过构建双层、梯度、取向和图案化等非均质结构，水凝胶可发生弯曲、扭转、螺旋等复杂形变。结合3D打印、光投影等技术，进一步实现了变形行为的可编程控制。其中，取向结构水凝胶在调控变形方向、速度和形态方面优势显著，备受关注。
取向水凝胶可分为纳米复合结构取向、聚集态结构取向和网络链段取向三类。前两者在制备过程中通过外场（电场、磁场、剪切、冷冻等）诱导并固定取向结构；后者则通过后拉伸结合超分子或动态键固定链段取向，不仅实现各向异性变形，还增强力学性能、能量输出与电化学性能，扩展了其在软体机器与传感领域的应用。
本文系统综述取向水凝胶的研究进展：第一部分介绍制备策略，如图1所示；第二部分分析取向结构对变形行为的影响；第三总结在软体机器与生物传感中的应用，并探讨当前面临的机遇与挑战。
图1 取向水凝胶的分类及多级调控的制备路径
文章概述
目前，构筑水凝胶取向结构的主要策略可分为三类。第一类是纳米复合结构取向水凝胶，研究人员首先在预聚液中加入适量具有方向性的纳米颗粒，如一维纳米棒、纳米纤维或二维纳米片。通过外部作用（如电场、磁场、剪切力等），使这些纳米颗粒按照预定方向进行定向排列。最后，通过光、热等方式触发聚合反应，从而固定这些纳米颗粒的定向排列结构。除了利用纳米颗粒在凝胶内定向排列构建取向结构外，还可通过定向冷冻技术调控预聚液中聚合物聚集状态来构建定向微结构。该技术利用液氮快速降温，诱导冰晶沿温度梯度方向定向生长。具体操作是将预聚液置于高导热基底（如铜片）容器中，容器底部接触液氮形成自下而上低温场，冰晶沿该方向生长并排挤溶质，最后通过光聚合或物理结晶固定取向结构。
尽管已有多种方法可在水凝胶中构建取向结构，但在链段层面上，其高分子网络通常仍为各向同性。由于缺乏稳定柔性网络熵弹性变化的策略，取向后的链段易发生弹性回复，导致结构减弱或消失。因此，研究者开始探索如何在凝胶中构建并保持显著的链段取向结构，并研究其对性能的影响。经过研究发现，各向同性凝胶可在制备后通过拉伸实现链段取向，并借助第二网络平衡回弹应力以固定结构。基于此思路，研究人员进一步利用超分子作用与动态共价键构建了一系列链段取向水凝胶。
水凝胶的非均质结构引发的不均匀溶胀/收缩是实现多维度形变的基础。通过设计双层、梯度或图案化等非均质结构，水凝胶可实现弯曲、扭转、螺旋等多种形变模式。与传统面外弯曲不同，取向水凝胶因其各向异性结构，通常表现为面内伸缩变形；合理组合这类非均匀面内变形可实现更复杂的可控翘曲。近年来发展的链取向水凝胶还可通过调控链熵弹性来调节形变速率。取向结构在编程水凝胶变形行为的同时，其定向的纳米粒子排布、网络聚集结构以及链段取向都会极大地提升凝胶在取向方向上的力学性能，从而有助于增强其在变形过程中对外做功的能力。
如上所述，取向水凝胶基于纳米复合结构、聚集结构以及链段取向的编程方式，已在变形形态、模式与速度方面表现出优异的性能，这些性能促使其广泛应用于软体机器领域以解决现有软体机器驱动速度慢、难以实现高效机械输出的问题。除此之外，经过取向编程的水凝胶在机械性能、电化学性能等方面也都得到了极大的提升，并且逐渐应用于生物传感领域。这些功能的发展对于进一步推动取向水凝胶在智能变形与软体机器领域的发展至关重要。
引用本文：
倪雅璐 , 吴宝意 , 赵骞 . 水凝胶取向结构构筑方法及响应变形行为的研究进展 . 高分子通报 , 2025, 38(12):1754-1775Ni, Y. L.; Wu, B. Y.;Zhao, Q. Recent advances in programmable shape-morphing of stimuli-responsive hydrogels with oriented structure. Polym. Bull. (in Chinese), 2025, 38(12):1754-1775
doi: 10.14028/j.cnki.1003-3726.2025.25.222
