本書從構(gòu)建水凝膠的常見高分子著手，闡述了水凝膠的主要合成方法、內(nèi)部的主要交聯(lián)類型以及高分子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征；介紹了功能性水凝膠力學(xué)性能和物理特性的設(shè)計原理以及相應(yīng)的調(diào)控方法；進(jìn)一步展開介紹了受自然界中刺激－響應(yīng)驅(qū)動行為啟發(fā)而構(gòu)建的仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應(yīng)用；特別關(guān)注了近幾年興起的自供能水凝膠傳感器，闡述了相應(yīng)的供能機制和應(yīng)用領(lǐng)域；最后說明了該領(lǐng)域當(dāng)前的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。
水凝膠(hydrogel)是一種3D 親水交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)，其物理特性類似于軟生物組織，可以通過表面張力或毛細(xì)管效應(yīng)容納大量的水。自然界中，生物體的形態(tài)、模式和結(jié)構(gòu)為科學(xué)的創(chuàng)新提供了靈感，也為解決仿生智能水凝膠在應(yīng)用面臨的問題上提供了寶貴的借鑒。從基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用的角度來講，探索新型仿生智能水凝膠具有重要的現(xiàn)實意義。
本書以智能水凝膠為主線，借鑒仿生學(xué)思維，以介紹和討論仿生水凝膠研究的科學(xué)策略，將其內(nèi)部的構(gòu)建機制應(yīng)用到人造材料中解決實際問題為目標(biāo)。仿生智能水凝膠具有可調(diào)的力學(xué)性能、優(yōu)異的加工性能、自修復(fù)性能、多重黏附性等優(yōu)異特性，從學(xué)術(shù)研究到工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用（包括藥物輸送、組織工程、醫(yī)療植入物和傷口敷料，以及傳感器、軟執(zhí)行器、電子皮膚和柔性機器人等）都引起了人們的廣泛關(guān)注。盡管在過去這些年中，研究人員們已經(jīng)開發(fā)出了大量的水凝膠并將其應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，但依然缺乏一套用于指導(dǎo)使用不同材料或制造方法來設(shè)計滿足不同應(yīng)用目的的水凝膠的通用原則，這也是本書要解決的核心問題。
本書從構(gòu)建水凝膠的常見高分子著手，系統(tǒng)闡述了水凝膠的主要合成方法、內(nèi)部的主要交聯(lián)類型以及高分子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征，詳細(xì)介紹了功能性水凝膠力學(xué)性能和物理特性的設(shè)計原理以及相應(yīng)的調(diào)控方法（本書中所介紹的這些設(shè)計原則和實施策略都是基于通用高分子網(wǎng)絡(luò)的，同時，它們也適用于其他軟材料，包括彈性體和有機凝膠）；隨后，進(jìn)一步展開介紹了受自然界中刺激- 響應(yīng)驅(qū)動行為啟發(fā)而構(gòu)建的仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應(yīng)用；特別關(guān)注了近幾年興起的自供能水凝膠傳感器，詳細(xì)闡述了相應(yīng)的供能機制和應(yīng)用領(lǐng)域；最后簡要說明了該領(lǐng)域當(dāng)前的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。
本書可供仿生、高分子、水凝膠、軟體機器人、柔性傳感器等研究領(lǐng)域人員參考，亦可作為相關(guān)領(lǐng)域愛好者的科普讀物；本書涉及跨領(lǐng)域知識，還可作為高等院校材料類專業(yè)、化學(xué)化工類專業(yè)、機械專業(yè)、生物科技類專業(yè)等相關(guān)專業(yè)本科生或研究生的進(jìn)階教材，部分章節(jié)的內(nèi)容適合電子、醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)境等相關(guān)領(lǐng)域特定二級學(xué)科學(xué)生學(xué)習(xí)了解。
Yu Shrike Zhang、高雪芹、趙選賀、Erica L.Bakota、David A.Tirrell、Francis G.Spinale、Partrick H.Campbell、陳俊、聶雙喜、陳寶東等人為本書提供了大力支持，在此表示衷心的感謝。
由于編著者水平有限，書中難免會有疏漏之處，敬請讀者批評指正。
編著者
2023年4月
第1章 緒論
參考文獻(xiàn)
第2章 構(gòu)建水凝膠的常見高分子
2.1 天然高分子
2.1.1 多糖類
2.1.2 蛋白質(zhì)類
2.1.3 多肽類
2.1.4 核酸類
2.2 合成高分子
2.2.1 聚丙烯及其衍生物類
2.2.2 聚醇類
2.2.3 其他類
參考文獻(xiàn)
第3章 水凝膠的合成方法
3.1 由溫度引起的高分子鏈糾纏
3.2 分子自組裝
3.3 離子凝膠化/靜電相互作用
3.4 化學(xué)交聯(lián)
3.5 小結(jié)
參考文獻(xiàn)
第4章 水凝膠內(nèi)部的主要交聯(lián)類型
4.1 永久共價交聯(lián)
4.1.1 碳-碳鍵
4.1.2 碳-氮鍵
4.1.3 碳-氧鍵
4.1.4 碳-硫鍵
4.1.5 硅-氧鍵
4.2 強物理交聯(lián)
4.2.1 晶疇
4.2.2 玻璃狀結(jié)節(jié)
4.2.3 螺旋關(guān)聯(lián)
4.3 弱物理交聯(lián)
4.3.1 氫鍵
4.3.2 靜電相互作用
4.3.3 配位絡(luò)合
4.3.4 主客體相互作用
4.3.5 疏水締合
4.3.6 π-π堆積
4.4 動態(tài)共價交聯(lián)
4.4.1 亞胺鍵
4.4.2 硼酸酯鍵
4.4.3 二硫鍵
4.4.4 腙鍵
4.4.5 肟鍵
4.4.6 可逆Diels-Alder反應(yīng)
參考文獻(xiàn)
第5章 水凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征
5.1 彈性體水凝膠
5.1.1 干燥狀態(tài)下的彈性高分子網(wǎng)絡(luò)
5.1.2 溶脹狀態(tài)下的彈性高分子網(wǎng)絡(luò)
5.2 非彈性體水凝膠
5.2.1 理想高分子網(wǎng)絡(luò)
5.2.2 含有滑動交聯(lián)點的高分子網(wǎng)絡(luò)
5.2.3 互穿和半互穿高分子網(wǎng)絡(luò)
5.2.4 具有高官能交聯(lián)的高分子網(wǎng)絡(luò)
5.2.5 微納纖維高分子網(wǎng)絡(luò)
5.2.6 其他非常規(guī)高分子網(wǎng)絡(luò)
5.3 由非常規(guī)高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引起的力學(xué)性能分離
5.4 非常規(guī)高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相互作用的協(xié)同效應(yīng)
參考文獻(xiàn)
第6章 水凝膠極限力學(xué)性能的設(shè)計原理和調(diào)控方法
6.1 韌性：在可拉伸高分子網(wǎng)絡(luò)中引入能量耗散機制
6.1.1 斷裂韌性
6.1.2 堅韌水凝膠的設(shè)計原則
6.1.3 堅韌水凝膠的實施策略
6.2 強度：讓高分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有足夠多的分子鏈能夠同時硬化且斷裂
6.2.1 抗拉強度
6.2.2 抗拉伸水凝膠的設(shè)計原則
6.2.3 抗拉伸水凝膠的實施策略
6.3 彈性
6.3.2 高彈性水凝膠的設(shè)計原則
6.3.3 高彈性水凝膠的實施策略
6.4 韌性黏結(jié)：整合具有機械耗散的增韌水凝膠基體與高強界面的交聯(lián)
6.4.1 界面韌性
6.4.2 強界面黏附性水凝膠的設(shè)計原則
6.4.3 強界面黏附性水凝膠的實施策略
6.5 抗疲勞：用具有高本征斷裂能的物質(zhì)去阻礙疲勞裂紋擴展
6.5.1 疲勞閾值
6.5.2 抗疲勞水凝膠的設(shè)計原則
6.5.3 抗疲勞水凝膠的實施策略
6.6 抗疲勞粘接：在界面處強力固定具有高本征斷裂能的物質(zhì)
6.6.1 界面疲勞閾值
6.6.2 抗疲勞黏附水凝膠的設(shè)計原則
6.6.3 抗疲勞黏附水凝膠的實施策略
參考文獻(xiàn)
第7章 水凝膠功能特性的設(shè)計原理和調(diào)控方法
7.1 導(dǎo)電性：形成連通的電子導(dǎo)電相
7.2 磁性：嵌入磁性顆粒并形成鐵磁磁疇
7.3 折射率和透明度：均勻嵌入高折射率且無散射的納米相
7.4 可調(diào)控聲阻抗：等效均質(zhì)水凝膠的密度和體積模量的調(diào)控
7.5 自愈性：在損傷區(qū)域形成新的交聯(lián)或高分子鏈
7.6 可注射性：選擇具有剪切變稀和自我修復(fù)特性的材料
參考文獻(xiàn)
第8章 水凝膠的動態(tài)模擬
8.1 光圖案化和光化降解法
8.2 動態(tài)光度圖形法
8.3 細(xì)胞響應(yīng)反饋系統(tǒng)法
8.4 刺激響應(yīng)——形態(tài)變形法
8.5 細(xì)胞介導(dǎo)牽引力引起的形態(tài)變形法
參考文獻(xiàn)
第9章 仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器及其應(yīng)用
9.1 自然界中的刺激-響應(yīng)驅(qū)動行為
9.1.1 基于細(xì)胞滲透壓變化實現(xiàn)的驅(qū)動行為
9.1.2 基于纖維素原纖維結(jié)構(gòu)不均勻膨脹實現(xiàn)的驅(qū)動行為
9.1.3 基于可逆弱鍵的斷裂/生成實現(xiàn)的驅(qū)動行為
9.1.4 基于微觀結(jié)構(gòu)變化實現(xiàn)的驅(qū)動行為
9.1.5 基于軟結(jié)構(gòu)的收縮/拉伸實現(xiàn)的驅(qū)動行為
9.2 人造刺激-響應(yīng)性水凝膠執(zhí)行器
9.2.1 熱響應(yīng)
9.2.2 光響應(yīng)
9.2.3 磁響應(yīng)
9.2.4 電響應(yīng)
9.2.5 pH響應(yīng)
9.2.6 離子響應(yīng)
9.2.7 濕度響應(yīng)
9.2.8 溶劑響應(yīng)
9.2.9 其他響應(yīng)
9.3 仿生智能水凝膠執(zhí)行器的應(yīng)用
9.3.1 軟執(zhí)行器
9.3.2 流體操控
9.3.3 醫(yī)學(xué)工程
參考文獻(xiàn)
第10章 仿生自供能水凝膠傳感器
10.1 自供能水凝膠傳感器的供能機制
10.1.1 摩擦納米發(fā)電
10.1.2 壓電納米發(fā)電
10.1.3 熱電納米發(fā)電
10.1.4 光伏發(fā)電
10.1.5 水伏發(fā)電
10.1.6 磁電發(fā)電
10.1.7 混合發(fā)電
10.2 自供能水凝膠傳感器的典型應(yīng)用
10.2.1 物理傳感
10.2.2 健康護(hù)理
10.2.3 環(huán)境監(jiān)測
參考文獻(xiàn)
第11章 總結(jié)與展望
11.1 仿生智能水凝膠軟執(zhí)行器
11.2 自供能水凝膠傳感器
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