Сочетание программируемого изменения формы и приводимого растворителем пропульсивного движения в мягком биконтинуальном композите

Мягкие материалы, которые сами двигаются и меняют форму

Представьте себе плавающую полоску резиноподобного материала, которая может скручиваться и раскрываться, как шишка в дождливый день, а затем скользить по водной поверхности, как некоторые жуки, приводимая в движение лишь небольшим количеством жидкого топлива. В этом исследовании представлен именно такой интеллектуальный мягкий материал. Он одновременно может перенастраивать свою форму и перемещаться по воде без проводов, моторов или электроники, что открывает перспективы для будущих мягких роботов, покрытий и крошечных химических инструментов, которые эффективно реагируют на окружающую среду.

Уроки от шишек и водоплавающих жуков

В природе живые организмы часто используют два принципиально разных типа движений. Одни, как шишки или чувствительные листья, локально меняют форму при изменении влажности, прикосновении или температуре. Другие, например некоторые жуки и бактерии, действительно перемещаются по поверхности, иногда выделяя поверхностно-активные молекулы, которые тянут их по воде. Инженеры воссоздавали отдельные аспекты каждого поведения с помощью синтетических материалов, но редко объединяли оба в одной платформе. Типичные эластомеры с жидкокристаллическими свойствами могут изгибаться и сокращаться под действием тепла или света, но плохо взаимодействуют с водой и не генерируют тягу. Гидрогели, напротив, «любят» воду и сильно набухают, однако обычно расширяются во всех направлениях и лишены направленности, необходимой для управления движением или создания чистой силы.

Создание мягкого композита с двойной сетью

Чтобы преодолеть этот разрыв, исследователи разработали гибридный материал под названием BALCEH — биконтинуальный композит из жидкокристаллического эластомера и гидрогеля. В основе BALCEH — два непрерывных, но переплетённых друг с другом каркаса: гидрогель, любящий воду, и гидрофобный жидкокристаллический эластомер. Гидрогель образует пористый скелет, способный впитывать разные жидкости, тогда как эластомер растягивают и закрепляют в едином предпочтительном направлении, чтобы внутренние сегменты выстраивались в ряд. Такая парная архитектура сочетает в себе сильное набухание и направленную упругость в одном куске материала. Измерения с помощью микроскопии, инфракрасного излучения, рамановского рассеяния и рентгеновского рассеяния подтверждают, что две сети тщательно проникают друг в друга, сегменты жидкого кристалла хорошо выровнены, а композит механически прочен и гибок, оставаясь при этом заметно более жёстким вдоль направления выравнивания.

Переключаемые поверхности и обратимые изменения формы

Переплетённые сети придают BALCEH своего рода «хамелеонье» поведение в ответ на среду. Поскольку гидрогель предпочитает воду, а эластомер — масла, поверхность, которую материал демонстрирует наружу, может переключаться в зависимости от окружающей жидкости. Под водой доминирует гидрогель, и поверхность сильно отталкивает масляные капли; под маслом берет верх эластомер, и поверхность отталкивает воду. Такая адаптивная смачиваемость с экстремальной непроницаемостью для одного или другого типа жидкости может пригодиться для умных фильтров и противообрастающих покрытий. Одновременно две сети внутренне тянут друг друга. Когда BALCEH впитывает воду или другие полярные растворители, гидрогель стремится набухнуть, особенно поперёк направления выровненного эластомера, а эластомер сопротивляется и накапливает упругую энергию. В результате происходит управляемое изгибание или разогибание, повторяющееся на множестве циклов: полоски могут раскрываться в жидкости и снова сворачиваться по мере высыхания, скручиваться при изменении влажности или укорачиваться и удлиняться с изменением температуры, сохраняя при этом заранее заданные формы.

Движение, приводимое растворителем, и программируемые траектории

Помимо локального изгиба, BALCEH может служить и в качества собственного крошечного двигателя. Насыщенная растворителем с низким поверхностным натяжением, например этанолом, полоска BALCEH, помещённая на границу воздух–вода, плавает и медленно выделяет растворитель в окружающую воду. Из-за анизотропной внутренней структуры этот выпуск неравномерен, создавая дисбаланс поверхностного натяжения, который тянет полоску — эффект, известный как маршанино-пропульсия. В отличие от простых гидрогелей, которые быстро тонут после поглощения воды, гидрофобный компонент композита сохраняет его плавучесть, что позволяет движению продолжаться десятки минут. Изменяя тип «топливного» растворителя, его летучесть и растворимость в воде, исследователи настраивают продолжительность и силу движения полоски. Присоединение одного или нескольких фрагментов BALCEH к простым 3D‑печатным формам превращает их в мягких пловцов, чьи траектории — круговые, прямолинейные, вращательные или спирально расходящиеся — можно программировать с помощью геометрии, выбора топлива и даже поэтапных добавлений других жидкостей в резервуар.

От плавающих роботов к умной сепарации и химии

Те же базовые принципы обеспечивают и другие функции. Авторы демонстрируют, что ткани, покрытые BALCEH, способны разделять масло и воду под действием только силы тяжести, поскольку каждая сторона композита селективно пропускает одну жидкость и блокирует другую. В другом примере звездчатый привод BALCEH переносит твердую реагентную частицу через слоистую масляно‑водную систему и высвобождает её только тогда и там, где вода вызывает разворачивание материала, по сути включая химическую реакцию с собственной встроенной логикой. Эти демонстрации показывают, как сочетание направленной упругой сети и отзывчивой набухающей сети позволяет одному мягкому материалу одновременно ощущать окружение и преобразовывать эту информацию в сложные действия.

Почему это важно для будущих мягких машин

Для неспециалистов главное — в том, что эта работа объединяет два типа движения — изменение формы и самоходность — в одном надёжном и многоразовом материале. BALCEH изгибается и скручивается при контакте с водой, влажностью, теплом или определёнными растворителями и способен скользить по поверхности воды, приводимый в действие лишь малыми количествами органических жидкостей. Поскольку его отклик зависит как от окружающей жидкости, так и от предустановленного выравнивания, его можно запрограммировать для следования заданным траекториям, перевозки грузов, запуска реакций или разделения смесей без электроники и жёстких деталей. Такое сочетание деформации и локомоции в одной лёгкой полоске указывает путь к автономным мягким роботам и покрытиям, работающим в реальных влажных условиях.

Цитирование: Giri, P., Borbora, A., Sarkar, D. et al. Coupling programmable shape morphing and solvent-fueled propulsion in a soft bicontinuous composite. Nat Commun 17, 3638 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69432-x

Ключевые слова: мягкая робототехника, умные материалы, гидрогелевые композиты, самоходность, адаптивная смачиваемость