刺激响应性器件是一种基于刺激响应性材料的,能够在外部环境的刺激下执行相应任务的智能器件,在医疗保健,生物工程,芯片科技,移动传感器和微纳加工等前沿领域具有巨大的应用前景。然而,由于尺寸效应和组成材料机械性能的影响,刺激响应性器件在高性能驱动（包括快速运动、快速响应、高能量密度输出等机械性能）和精准控制等方面仍旧面临许多严峻的挑战,限制了其进一步应用。为了解决刺激响应性器件所面临的问题,本文从新型材料出发,构造了新型的多功能结构,通过探索新型高效驱动机理,优化结构设计,控制运动参数,进而实现新型刺激响应性器件的高性能驱动,精准控制,并探索其在精准医疗、环境检测、微流控等方面的潜在应用。本论文主要研究了光、磁和化学这三种刺激响应性器件,内容主要包括了五个方面,具体如下:1.我们开发了一种可以在空气中高速运动,快速响应的光驱动水凝胶致动器。这种致动器是通过利用水凝胶的弹性,以及水凝胶内部的磁性四氧化三铁纳米粒子的光热效应所产生的气泡变形来实现驱动。通过控制光照参数,可以精确调控该水凝胶致动器的运动速度、运动方向和运动轨迹,使其在软机器人、传感器、精准药物输送等领域有潜在的应用前景。2.我们构造了一种将微米泵和微米马达相结合的光响应性器件。在光照射下,这种光响应性微米器件利用马拉高尼效应可以实现在溶液表面的自主运动,同时还可以诱导其周围流体的运动。通过调控光照强度和光照角度,这种光响应性器件可以实现了微米马达和微米泵之间的相互转换。3.我们利用人工肌肉致动器,设计了一种具有高能量密度输出的螺旋形磁响应性器件。在高频交变磁场的作用下,螺旋形致动器被加热,表现出具有高能量密度输出的拉伸和旋转运动。通过与不同的机械设计相结合,这种螺旋形致动器可被设计成具有特定功能的器件,例如伤口缝合器、剪刀和钻孔器。另外,该执行器还可以与双稳态结构相结合,进一步放大其驱动应变和输出力。这使得我们可以将其应用于构造夹紧组织伤口的夹持器,使其在体内医疗和微创手术等方面有潜在的应用。4.我们结合气-液相变驱动机制和磁驱动机制,通过引入磁响应性粒子和低沸点液体,设计了一种磁响应性软体器件。该磁响应性器件既可以在磁矩的作用下弯曲运动,同时又可以在高频交变磁场加热的作用下表现出高能量密度的膨胀变形。通过调控磁矩的大小和方向以及交变磁场的功率,该磁响应性软体器件可以在沙地内表现出蠕动和跳动的运动行为,同时还可以在模拟血管内实现封堵的功能。另外,我们将这种磁响应性器件与双稳态结构和形状记忆材料相结合,进而设计了一种可循环使用的血管支架。通过调控外部交变磁场的功率,该支架可以在猪血管内实现可控打开和关闭的功能,证明了这种磁响应性软体器件在生物医疗领域的潜在应用。5.我们结合表面活性剂和苯硼酸改性的水凝胶,构造了一种化学响应性鱼形水凝胶器件。这种水凝胶器件可以在含有葡萄糖分子的溶液表面自主运动,这主要是由于溶液中的葡萄糖分子和水凝胶内的苯硼酸相结合,使得水凝胶内的表面活性剂释放出来,进而导致整个器件基于马拉高尼效应进行运动。这种水凝胶器件的运动速度与溶液中葡萄糖的浓度紧密相关。另外,通过引入磁响应性材料,可以利用外部磁场对水凝胶器件的运动方向进行操控。因此,这种水凝胶器件可以同时表现出与葡萄糖浓度紧密相关的运动速度和精准的磁控运动方向,进而可以通过直观的观察运动距离就可以监测血清或尿液中的葡萄糖浓度,使其在糖尿病监测方面具有潜在的应用。总的来说,本文的研究内容不仅为可精确控制的高性能刺激响应性器件（运动速度快、响应时间短、高能量密度输出）的设计提供了理论基础和技术方法,而且为进一步探索刺激响应性器件在多种前沿交叉领域的应用奠定了基础。