正从玻璃表面拉开的工程水凝胶。这种材料显示出所谓的“牢固湿性粘接”，与肌腱和软骨界面相当。界面上起伏不稳定性正是刚性表面强粘接软材料的标志。

(图片来源：Felice Frankel)

来自麻省理工学院的工程师们已经开发出一种合成含90%以上水的粘性水凝胶方法。水凝胶，是一种透明类似橡胶的材料，其表面附着力与肌腱和软骨之间的键合力相当。

大自然发展出了解决粘性问题的方法：贻贝和藤壶牢固地把自己粘到悬崖、船体、甚至鲸的皮肤上。同样，肌腱和软骨之间也具有惊人的高强度，为动物提供灵活性和敏捷性。

所有这些情况下的天然粘接剂都是水凝胶，一种水和胶状材料的粘性混合物，具有高强度和持久的连接。

现在麻省理工学院的工程师们已经开发出一种方法来合成含90%以上水的粘性水凝胶。水凝胶是一种透明的类似橡胶的材料，可以粘接在玻璃、硅、陶瓷、铝和钛的表面，其强度与肌腱和软骨间的键合相当。

在实验中为了证明其键合强度，研究人员把一小块水凝胶放在两个板块之间的水凝胶玻璃，之后发现能承担55磅的重量。他们还将水凝胶粘到硅晶片上，然后用锤子砸碎。尽管硅片粉碎了，但一些碎片仍保持原来的形状。

这样的耐久性使水凝胶成为一种船和潜艇理想的水下表面保护层。由于水凝胶具有生物相容性，它也可用于各种与健康相关的应用，如生物医学导管涂层和植入人体的传感器。

“你可以想象出这种高强度软材料粘合剂的一些新应用，”麻省理工学院机械工程系罗伯特N·诺伊斯职业发展副教授XuanheZhao说。例如，Zhao教授的团队目前正在探索在软体机器人上使用水凝胶，用于合成肌腱和软骨或者灵活的关节。

“这是一种高粘接强度主要是水的粘性胶体，”机械工程研究生兼论文主要作者HyunwooYuk说。“基本上，键合水是困难的。”Zhao教授和他的学生将在《Nature Materials》期刊上发表他们的研究成果材料。

一种有弹性的锚

一种高粘接强度的柔性水凝胶需要具备两个特点，Zhao教授发现：能量耗散和化学锚固。本质上，水凝胶会耗散能量明显地伸展，不需要保留所有用来伸展的能量。化学锚定的水凝胶是通过将它的聚合物网络共价结合到粘接表面上。“化学锚固和大量耗散会导致高强度结合，”Zhao教授说。“肌腱和软骨利用这些，所以我们从大自然学到了这个原则。”

在开发水凝胶的过程中，Yuk将溶液水与耗散型组分混合，制备了一种弹性橡胶材料。然后把水凝胶放在不同的表面上，如铝、陶瓷、玻璃和钛，每种都由功能性硅烷分子改性，形成每种表面与水凝胶之间的化学连接。

然后研究人员使用标准剥离试验测试了水凝胶的粘接能力，测量从表面剥离开水凝胶所需的力。平均而言，他们发现水凝胶粘接力为每平方米1000焦耳，与肌腱和软骨间的键合相当。

Zhao教授的研究团队将这些结果与现有的水凝胶、弹性体、组织粘合剂和纳米凝胶相比，发现新型水凝胶既有更高水含量，又有更强的结合能力。

“在水凝胶的结合韧性方面，我们基本上打破了世界纪录，其中的灵感来源于自然，”Yuk说。

粘性机器人

除了用锤子和重量的方法测试水凝胶的韧性，Zhao教授和他的同事们还探索机器人关节的应用，利用水凝胶小球体连接短管来模拟机器人的四肢。

“水凝胶可以作为制动装置，”Zhao教授说，“替代使用传统的铰链，你可以使用这种软材料，很强地粘结刚性材料，为机器人提供更多的自由度。”

研究人员还研究了电导体应用。Yuk和其他学生将盐水添加到水凝胶样品中，并让水凝胶与两块连接电极的金属板相连使LED发光。他们发现，水凝胶可使盐离子在电路内部流动，最终点亮LED。

“对于水凝胶-金属混合导体，我们创造了非常牢固的界面，”Yuk补充说。

Zhao教授的研究团队目前最感兴趣的是探索水凝胶在软体机器人以及在生物电子学方面的用途。

“由于水凝胶包含超过90%的水，这种键合可看作成一种水性粘结剂，比天然粘结剂更加坚固，如藤壶、贻贝和水下粘接剂，”Zhao教授说。“这项工作对于理解生物粘附性有着重要的意义，以及在水凝胶涂料、生物医学设备、组织工程、水处理和水下粘接剂等方面有着实际的应用。”

这项研究部分是由美国海军研究办公室和美国国家科学基金会支持。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮