自60年前水凝胶被首次合成以来,因为其独特的激励响应性以及良好的生物相容性,人们对水凝胶进行了广泛的研究。尤其是近20年,人们对水凝胶的关注度越来越高,开发出各种具有不同特性以及功能的水凝胶,并将其应用于组织工程、药物输送、细胞培养、人造器官、水处理、传感器、致动器、涂层、可穿戴的电子设备以及软体机器人等领域。本文主要介绍了分别使用3D打印和多步光刻聚合法制备的两种水凝胶的溶胀实验,并借助有限元软件模拟凝胶的溶胀过程,分析凝胶产生变形的机制以及其潜在的应用价值。第一个实验是利用3D打印制备长条形凝胶,并将其放置在水中进行溶胀,凝胶发生了一系列有趣的变形:弯曲-恢复-反向弯曲-恢复-保持不变。凝胶发生连续两次方向相反的弯曲是以前的实验没有观察到的。借助有限元模拟重现凝胶这一系列的变形,并分析凝胶内部的应力分布图和溶剂浓度分布图。通过分析,得出结论,凝胶发生连续变形的原因是:利用3D打印制备凝胶,由于在完全固化前,前驱体溶液是可以流动的,导致得到的长条形凝胶的截面是不对称的“月牙形”。不对称的截面导致凝胶在溶胀后分别受拉和受压部分的凝胶形心不重合,拉压应力形成一对力矩使凝胶发生弯曲。又因为凝胶内存在两种溶剂扩散(水分子快速向内扩散和有机溶剂分子慢速向外扩散),扩散过程首先由水主导,随后由有机溶剂主导(此时水接近溶胀平衡),两种溶剂的交替主导导致弯曲方向的交替。有限元仿真和实验中的结果可以很好的吻合。第二个实验是借助剪纸结构的思路设计凝胶的二维结构,并用多步光刻聚合法制备凝胶。在硬质不溶胀的凝胶边框内连接具有二维剪纸结构的柔软高溶胀的凝胶。在溶胀后,因为硬质的外边框会限制内部高溶胀凝胶的横向扩展,导致凝胶产生面外的屈曲或扭转。通过控制高溶胀凝胶每个部分的屈曲方向,可以使凝胶在溶胀后具备多种的构型。通过分层设计二维面内的剪纸结构,让凝胶在溶胀后具备三维多层结构,可以应用于电路多触点开关的设计。用有限元模拟凝胶的溶胀变形,可以得到和实验非常吻合的结果。智能水凝胶在生物医学设备、柔性电子和软体机器人等方面有很好的应用前景,本文中提及的两种凝胶的变形机制在可变形智能水凝胶中具有重要的意义。