近日，香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域助理教授袁家兴与美国约翰霍普金斯大学团队展开合作，在pH响应型水凝胶构象转变机制的研究方面取得重要进展。他们通过标度理论分析与计算机模拟揭示了聚电解质水凝胶的致动奥秘，为设计微秒级响应、爆发力超越骨骼肌的“人造肌肉”提供了关键理论依据。相关成果以“Designing actuation in pH-responsive hydrogels”为题发表于高分子科学著名学术期刊《Macromolecules》。袁家兴教授为该论文的第一作者，香港科技大学（广州）为第一完成单位。
Designing Actuation in pH-Responsive Hydrogels
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c03370
在软体机器人和柔性电子等领域，聚电解质水凝胶一直备受关注。这种材料像是一块智能海绵，能随环境pH值或温度的变化而吸水膨胀或排水收缩，从而产生运动。然而，现有的水凝胶致动器面临着两个核心瓶颈：响应速度慢和功率密度低。目前的工程水凝胶，其爆发力往往比生物骨骼肌低几个数量级，这极大地限制了它们在高性能材料中的应用。
为了破解这一难题，袁家兴与合作者提出了分子动力学与蒙特卡罗相结合的模拟方法，首次在微观尺度上同时考虑了动态质子化和流体动力学相互作用。该模拟方法精准捕捉了电荷、结构变形与周围流体流动之间的复杂耦合，可用于各类聚电解质材料的模拟。
图1：提出分子动力学与蒙特卡罗相结合的计算方法，可用于广泛的带电软物质复杂流体模拟，包含动态质子化、静电相互作用、流体相互作用。
通过热力学计算发现，聚电解质水凝胶在pH-温度相图中表现出独特的“闭环”行为，该区域由两个临界点界定。在临界点附近，纳米尺度的凝胶能够在微秒量级的时间尺度内完成构象切换。动力学计算显示，优化后的纳米凝胶在pH驱动的致动过程中产生的做功密度约为105J/m3，这一数值可以超过人类骨骼肌的表现。
图2:（a）处于高 pH 环境下的膨胀状态，凝胶包含带电单体（蓝色）和反离子（红色）；（b）处于低 pH 环境下的塌缩状态，凝胶主要由中性单体（白色）组成。（c）聚电解质水凝胶的电离度随凝胶体积和等效温度变化的相图。该图揭示水凝胶的相图具有闭环行为，并在中间区域表现出一阶相变行为。
更为关键的是，研究建立了标度理论，推导出功率密度随尺寸平方反比的标度缩放定律，揭示了“尺寸越小、爆发力越强”的物理本质。针对传统大块水凝胶受限于溶剂宏观扩散而响应迟缓的痛点，研究团队基于此定律提出了一种仿生设计策略：与其追求大块材料，不如将纳米或微米级的凝胶单元像肌肉纤维一样阵列化堆叠；这种结构设计确保了溶剂仅需在微观单元内局部流动，从而规避了大尺度的溶剂流动，有望在宏观尺度上实现毫秒级响应与极高的功率密度，为开发下一代高性能软体机器人提供了理论基础。
图3: (a) 水凝胶致动器的功率密度随着尺度的标度关系。(b,c) 单个纳米凝胶堆叠成阵列形成的致动器器件设计展示了膨胀和塌缩状态。致动时，溶剂流动仅发生在结构单元（虚线）内部的局部区域。橙色和绿色条带表示柔性电极，它们分别代表氢离子的源（来源处）和汇（吸收处）。
过去人们一直试图通过寻找更好的高分子材料来提升响应性能，这项研究工作揭示了巧妙设计物理结构也是解锁性能的关键之一。通过纳米阵列化设计，我们得以绕过宏观溶剂扩散和粘滞阻力带来的物理瓶颈。这项研究不仅建立了聚电解质水凝胶微观结构与动态响应之间的根本联系，更指出了未来的“人造肌肉”可能是由无数纳米引擎组成的精密阵列。研究有望推动相关实验进展，为设计集生物柔性与机械爆发力于一体的下一代人造肌肉提供理论支撑。
袁家兴，是香港科技大学（广州）功能枢纽先进材料学域的助理教授。他分别于2016年和2021年在上海交通大学获得物理学学士学位和博士学位。从2021年到2025年，他在日本东京大学担任博士后研究员。2025年1月加入香港科技大学（广州）任助理教授，入选国家级青年人才项目。担任中国力学学会第十届流变学专业委员会委员。
袁博士的研究方向集中于软物质系统中的结构、热力学和动力学，包括聚合物、聚电解质、纳米粒子、胶体悬浮液、水凝胶、蛋白质以及活性粒子等。近期研究工作涵盖了软物质中的非平衡相变现象、静电相互作用和流体力学相互作用对软物质及生物系统结构和动力学行为的影响、四面体液体的热力学和动力学特性，以及活性物质体系的自组织现象等。截至目前，以第一或通讯作者在《Physical Review Letters》、《Nature Communications》等学术期刊上发表论文20余篇。
香港科技大学（广州）袁家兴课题组诚邀有志从事软物质物理研究的博士研究生加盟。
关于导师科研情况的详细介绍和联系方式，可以参考：https://yuan-lab.com/
