物體(液體和固體)的定向傳輸在能量傳輸、智能機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。過(guò)去20年里，液體定向輸運(yùn)研究引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，并取得了重要突破。然而，固體輸運(yùn)研究報(bào)道很少。與液體定向輸運(yùn)機(jī)制不同(結(jié)構(gòu)或界面化學(xué)梯度誘導(dǎo)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力)，限域受壓條件下固體定向輸運(yùn)需要依靠強(qiáng)大的機(jī)械推動(dòng)力來(lái)克服彈性變形接觸過(guò)程中的摩擦力，而良好的界面潤(rùn)滑是先決條件。

中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員團(tuán)隊(duì)從生活中找到了解決上述問(wèn)題的策略。自然界中，在組織腔道分泌黏液的潤(rùn)滑作用下，食道能夠利用肌肉應(yīng)激產(chǎn)生的機(jī)械蠕動(dòng)波實(shí)現(xiàn)大食塊的成功傳輸。受此啟發(fā)，研究人員基于界面潤(rùn)滑和機(jī)械變形的耦合效應(yīng)，開發(fā)了一種智能型類食道凝膠軟物質(zhì)器件。在凝膠管內(nèi)腔表面堅(jiān)固的水潤(rùn)滑層輔助下，利用管腔收縮變形產(chǎn)生的流體動(dòng)壓和機(jī)械推動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了固體在多維方向的按需運(yùn)輸。

研究人員基于先前提出的表面催化引發(fā)自由基聚合方法，以鐵絲為催化模板，制得了含有ATRP活性引發(fā)劑的鐵基雙網(wǎng)絡(luò)高強(qiáng)度溫敏性水凝膠管；接著采用前期發(fā)展的亞表面引發(fā)自由基聚合方法，將親水性聚電解質(zhì)刷化學(xué)接枝和嵌入到凝膠管的內(nèi)腔表面網(wǎng)絡(luò)，制得內(nèi)腔體表面低摩擦、腔殼溫控收縮變形的仿生類食道凝膠管器件。在聚合過(guò)程中原位引入四氧化三鐵納米顆粒(Fe3O4NPs), 可實(shí)現(xiàn)溫敏性凝膠管器件腔道的近紅外光遠(yuǎn)程操作。所制備的凝膠管器件經(jīng)近紅外激光局部照射后，內(nèi)表面仍可保持低摩擦狀態(tài)(Friction：～0.03 N)，而空腔則產(chǎn)生瞬間體積收縮。這種體積收縮使得管狀器件能夠產(chǎn)生足夠的流體動(dòng)壓和大的機(jī)械推動(dòng)力(～0.18 N)，伴隨著激光的連續(xù)輻照，凝膠管產(chǎn)生類似食道的機(jī)械蠕動(dòng)波，有效地驅(qū)動(dòng)固體在擠壓管腔中的定向輸送。

該研究利用新穎的仿生設(shè)計(jì)理念、表面化學(xué)和軟材料力學(xué)耦合，成功實(shí)現(xiàn)了限域受壓條件下固體在三維管腔環(huán)境中沿任意方向的定向輸送，對(duì)于認(rèn)識(shí)軟物質(zhì)受壓變形過(guò)程中界面接觸力學(xué)與摩擦的耦合關(guān)系具有重要指導(dǎo)意義，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器有望用于仿生藥物運(yùn)輸或人工體外食管模擬系統(tǒng)，例如，幫助食道癌患者和宇航員制定飲食相關(guān)的物理治療計(jì)劃。