形状变形执行器可以伴随形态变化呼吸以模拟植物事件，用软水凝胶材料制造具有挑战性。最近，中科院科研人员报道了 4D 打印的智能水凝胶执行器不仅可以动态变形，还可以在外部刺激下产生氧气 (O2)。 打印的呼吸执行器具有菠菜叶衍生的类囊体膜（纳米类囊体），用于光热转换和催化 O2 演化，聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPA）热响应聚合物网络，用于通过膨胀/收缩（再水化/脱水）产生变形力，和不对称双层聚（N-异丙基丙烯酰胺）/聚丙烯酰胺（PNIPA/PAA）结构来放大机械运动。

图1 光热和催化纳米类囊体墨水的制备以及 4D 打印呼吸水凝胶致动器的机制。

在热刺激或激光照射下，由于纳米类囊体的光热转换和印刷的热响应不对称双层结构，致动器可以可逆地弯曲/伸直。此外，纳米类囊体的过氧化氢酶样特性赋予执行器以O2演化能力来呼吸以进一步模仿植物系统。 值得注意的是，4D 打印可以极大地促进和简化致动器的制造过程，包括调整尺寸和层组成。这种具有光热和催化特性的人工呼吸执行器为设计智能水凝胶系统提供了一种策略，并被证明是 3D/4D 打印、自动化机器人和智能生物医学设备领域非常有前途的材料候选者。

图4 PNIPA 水凝胶的热响应膨胀/收缩和 PNIPA/PAA 双层结构致动器的弯曲/非弯曲特性。

图5 四臂花形PNIPA/PAA双层结构致动器的热响应开/关及其作为机械手的潜力。

图6 呼吸纳米类囊体/PNIPA/PAA双层结构致动器的3D打印和热响应变形。

相关论文以题为 Biomimetic 4D-Printed Breathing Hydrogel Actuators by Nanothylakoid and Thermoresponsive Polymer Networks 发表在《 Advanced Functional Materials 》上。 通讯作者 是 中国科学院动物研究所 顾奇研究员 ，和 中国科学院化学研究所 王树研究员 。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.

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