Kirigami‐Design‐Enabled Hydrogel Multimorphs with Application as a Multistate Switch

材料科学 变形 条状物 自愈水凝胶 复合数 平面的 纳米技术 搭扣 软机器人 机器人 计算机科学 复合材料 计算机图形学(图像) 人工智能 高分子化学 计算机视觉
作者
Xing Peng Hao,Zhao Xu,Chenyu Li,Wei Hong,Qiang Zheng,Zi Liang Wu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (22) 被引量:113
标识
DOI:10.1002/adma.202000781
摘要

Abstract Morphing materials have promising applications in soft robots, intelligent devices, and so forth. Among the various design strategies, kirigami structures are recognized as a powerful tool to obtain sophisticated 3D configurations and unprecedented properties from planar designs on common materials. Here, some kirigami designs are demonstrated for programmable, multistable 3D configurations from composite hydrogel sheets. Via photolithographic polymerization, perforated composite hydrogel sheets are fabricated, in which soft and active hydrogel strips are patterned in stiff and passive hydrogel frames. When immersed in water, the gel strips buckle out of plane due to swelling mismatch. In the kirigami structures, the geometric continuity is disrupted by the introduction of cutouts, and thus the degrees of deformation freedom increases remarkably. Multiple configurations are obtained in a single composite hydrogel by controlling the buckling direction of each strip. Multitier configurations are also obtained by using a hierarchically designed kirigami structure. A multicontact switch of an electric circuit is designed by harnessing the multitier gel configurations. Furthermore, a rotation mode is realized by introducing chirality in the kirigami design. The versatile design of the kirigami structure for programmable deformations should be applicable for other intelligent materials toward promising applications in biomedical devices and flexible electronics.
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