<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Mater.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Materials</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Mater.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-8016</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">865652</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fmats.2022.865652</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Materials</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject> </subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>pH-Responsive Hydrogel Bilayer With Reversible, Bidirectional Bending Behavior</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Shojaeifard et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">pH-Responsive Hydrogel Bilayer with Bidirectional-Bending</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>Mohammad</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1658035/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>Soha</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1750628/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>Mostafa</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1278983/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<institution>School of Mechanical Engineering</institution>, <institution>College of Engineering</institution>, <institution>University of Tehran</institution>, <addr-line>Tehran</addr-line>, <country>Iran</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Department of Aerospace and Mechanical Engineering</institution>, <institution>University of Southern California</institution>, <addr-line>Los Angeles, CA</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1066066/overview">Ali Zolfagharian</ext-link>, Deakin University, Australia</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/687679/overview">Giuseppe Puglisi</ext-link>, Politecnico di Bari, Italy</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1011933/overview">Xingzhe Wang</ext-link>, Lanzhou University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Mostafa Baghani, <email>baghani@ut.ac.ir</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Smart Materials, a section of the journal Frontiers in Materials</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>26</day>
<month>05</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>865652</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>30</day>
<month>01</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>19</day>
<month>04</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Shojaeifard, Niroumandi and Baghani.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Shojaeifard, Niroumandi and Baghani</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Smart hydrogels are promising materials for shape-shifting structures regarding their large reversible deformation in response to external stimuli in the absence of mechanical loading. Actuators composed of responsive hydrogels have gained significant attention due to their low power consumption, bio-compatibility, fast response, and accessibility. Among these structures, bidirectional hydrogel-based actuators are more fascinating, especially when they have similar reversible bending in both directions. This paper introduces a new design concept of a hydrogel bilayer made of a poly (HEMA-co-DMAEMA) layer and a poly (HEMA-co-AA) hydrogel layer that swells at low and high pH, respectively. This structure is capable of bending in diverse directions while the pH of the aqueous bath alters. The main characteristic of this structure is having reversible bidirectional bending, which has similar behaviors in both directions, unlike previous hydrogel-elastomer bilayers. Then, we develop an analytical method to solve the swelling-induced bidirectional bending of a pH-sensitive hydrogel bilayer. On the other hand, the finite bending of bilayer structure is studied by the finite element method in several cases to demonstrate the validity and accuracy of the proposed analytical solution. Lastly, the impacts of material composition and geometrical factors are investigated to be used for bilayer actuator design and application.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>pH-sensitive hydrogel</kwd>
<kwd>hydrogel bilayer structure</kwd>
<kwd>bidirectional reversible finite bending</kwd>
<kwd>analytical solution</kwd>
<kwd>finite element method</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>A wide range of shape transformations of soft multifunctional structures observed in nature (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Koller, 1990</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Reyssat and Mahadevan, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B47">Stahlberg, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Evangelista et al., 2011</xref>) has motivated researchers to design shape-shifting structures which are able to reconfigure under the environmental stimulus (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Shojaeifard et al., 2022a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B41">Shojaeifard et al., 2022b</xref>). Diverse types of materials have been utilized to construct shape transforming behaviour, including shape memory polymers (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Meng and Li, 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Mao et al., 2016a</xref>), shape memory alloys (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Lin et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Liu et al., 2018</xref>), polymeric gels (<xref ref-type="bibr" rid="B33">Osada and Gong, 1998</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Liu et al., 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B42">Shojaeifard et al., 2022a</xref>), which received particular attention in various applications such as microfluidics (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Jamal et al., 2011</xref>), soft robotics (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Kim et al., 2013</xref>), actuators (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Le et al., 2019</xref>), biomedical devices (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Deligkaris et al., 2010</xref>).</p>
<p>Smart hydrogels as a group of stimuli-responsive and programmable materials owing to their large reversible deformation, swelling and deswelling, and their capability in changing shape, size, permeability, mechanical characteristics in response to environmental stimuli such as temperature (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Shojaeifard and Baghani, 2020</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Shojaeifard et al., 2021</xref>), pH (<xref ref-type="bibr" rid="B39">Shojaeifard et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Niroumandi et al., 2021a</xref>), light (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Shojaeifard and Baghani, 2019</xref>), electric and magnetic fields (<xref ref-type="bibr" rid="B34">Pourjavadi et al., 2021</xref>). The hydrogel actuation has been vastly used in microfluidic devices for controlling the fluid flow as hydrogel-based valves (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Beebe et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B50">Yu et al., 2001</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B45">Shojaeifard et al., 2020a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B32">Niroumandi et al., 2021b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Niroumandi et al., 2021c</xref>). In these hydrogel-based structures, the homogeneous expansion and shrinkage only alter material volume which is employed to control or block the microfluidic channels. However, complex designs of hydrogel composite are requisite for shape transforming induced by inhomogeneous deformations, including twisting, bending, and buckling (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Jeong et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Kim et al., 2012</xref>). Accordingly, various designs have been developed to generate dynamic surface instabilities (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Curatolo et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Curatolo et al., 2021</xref>) and also reversible programmable shape-shifting structures by integrating multi-layered systems composed of smart soft materials which behave differently in response to environmental stimuli. For example, Morales et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Morales et al., 2014</xref>) fabricated a walker structure made of two opposite electro-active hydrogels. The cationic and anionic legs bend in opposite directions which led the structure to have a unidirectional motion on a flat substrate. Also, Mao et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Mao et al., 2016b</xref>) introduced reversibly-actuating architectures composed of hydrogels and shape memory polymers that are sensitive to temperature. Controlling the temperature and the aqueous bath surrounding the structure, they illustrated diverse reversible bending and twisting Shape-Changing.</p>
<p>Using bending structures composed of hydrogels is a conventional approach to design valves, actuators, and sensors that are significantly applicable in biological and medical applications (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Kwon et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Kwon et al., 2011</xref>). The bending of single layer beams is captured utilizing functionally graded layered (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Shojaeifard and Baghani, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Shojaeifard et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B45">Shojaeifard et al., 2020a</xref>) or by applying inhomogeneous external fields (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Kwon et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Ionov, 2013</xref>); while multi-layer structure bends due to the variety in swelling ratio of each layer (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Abdolahi et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Arbabi et al., 2017</xref>). Liu et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Liu et al., 2018</xref>) designed a hydrogel-elastomer bilayer system that bends in just one direction regarding the humidity sensitivity of the hydrogel strip. They investigated the mechanical behaviour of this structure to design actuators. Zhang et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Zhang et al., 2012</xref>) fabricated a bilayer structure made of two acrylamide-based gels strips that have various swelling ratios. Accordingly, since each hydrogel layer swells differently in response to temperature change, unidirectional pure bending can be observed. Due to the importance of the bending of multi-layered structures in diverse applications, recently, analytical solutions were proposed to inspect the bending behavior of hydrogel-elastomer bilayer (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Abdolahi et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Arbabi et al., 2017</xref>). In these works, the bilayer is composed of an elastomer strip and also hydrogel strips which was sensitive to temperature (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Abdolahi et al., 2016</xref>) and pH (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Arbabi et al., 2017</xref>) which enables the structure to bend in one direction when the temperature or pH, respectively, varies. They verified these analytical solutions with the finite element analysis and investigated the effects of different material and geometrical properties on structural bending. However, structures with bidirectional bending could have more complicated applications in valves, sensors, and actuators which required new designs. Recently, some experimental studies conducted some efforts to achieve bidirectional bending. He et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B10">He et al., 2019</xref>) designed a dual-responsive polyNIPAM/GO hydrogels bilayer to capture the bidirectional reversible bending. The bilayer strips were dual thermo- and near-infrared (NIR)-responsive properties which have distinct network structures and swelling behaviour. Accordingly, controlling the bidirectional bending in this study, they demonstrated different actuator design using bidirectional bending. Li et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Li et al., 2017</xref>) prepared pNIPAm-pDADMAC semi-IPN hydrogels/PDMS bilayers which were responsive to pH and temperature. By carefully inspecting the properties of the hydrogel layer, they could use the swelling and deswelling of hydrogel layer in response to pH and temperature variation to illustrate the bidirectional bending in the structure. It is notable that the pure bending in this structure stems from the volume change in hydrogel layer while the PDMS layer does not swell in response to alteration of external fields. He et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Hu et al., 1995</xref>) integrated a positive temperature sensitive hydrogel (PAAM) layer with a negative temperature sensitive (PNIPAAm) hydrogel layer to obtain bidirectional bending to be used in gripper actuators, and self-folding structures.</p>
<p>As mentioned above, in the literature, most bidirectional reversible bendings are studied considering bilayers that are responsive to more than one external field or applied complex external fields in different directions. Additionally, although pH-sensitive hydrogels have vast applications in biology, drug delivery, medical devices, as well as sensors and actuators, there is a gap to study the bidirectional reversible bending of a structure composed of pH-sensitive hydrogels. In the pH-sensitive hydrogels, some of the acidic groups attached to the main chain gradually ionized in response to the pH variation of the aqueous environment. Several studies (<xref ref-type="bibr" rid="B7">De et al., 2002</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Kim et al., 2003</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Niroumandi et al., 2021a</xref>) investigated the theory behind the concentrations of the ions within the hydrogel body and their effects on water absorption. Particularly, Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>) presented a theory to describe the pH-sensitive hydrogel behavior. Similar to the large deformation theory defined for soft materials (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Valiollahi et al., 2019a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B49">Valiollahi et al., 2019b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B36">Sheikhi et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B44">Shojaeifard et al., 2020b</xref>), in this constitutive model, a free energy density was proposed to capture four different phenomena in the swelling of pH-sensitive hydrogels. Thus, the total free energy density is decomposed into four energy parts: network stretching, mixing of solvent with mobile ions and network, and also the acidic dissociating groups. Regarding the conformity of this model results with experimental data, this constitutive model has been used for various applications in recent studies (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Arbabi et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Shojaeifard et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Niroumandi et al., 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B43">Shojaeifard et al., 2022c</xref>).</p>
<p>In this paper, regarding the wide applications of bidirectional reversible bending in designing actuators, sensors, and valves, we propose a new design concept of a bilayer composed of a poly (HEMA-co-DMAEMA) and a poly (HEMA-co-AA) hydrogel layers. The poly (HEMA-co-DMAEMA) hydrogel swells considerably at low pH and shrinks when the hydrogel is exposed to a high pH solution. On the contrary, the poly (HEMA-co-AA) hydrogels absorb a huge amount of water and swell at high pH and also expel solvent and deswell at low pH. In this regard, we could experience bending in bilayer structure in one direction at high pH and bending in the other direction at low pH. One of the important characteristics of this structure is that we could easily experience similar bending in both directions which is hardly achieved by previous designs containing hydrogel/elastomer bilayers (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Abdolahi et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Arbabi et al., 2017</xref>) or bilayers with similar hydrogel types with diverse swelling ratios (<xref ref-type="bibr" rid="B51">Zhang et al., 2012</xref>) or bilayers which capture bidirectional bending due to different external stimuli (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Li et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">He et al., 2019</xref>). Accordingly, based on the theory presented by Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>), we proposed an analytical solution to describe the swelling bidirectional reversible bending of bilayer composed of two types of pH-sensitive hydrogels. In this study, based on finite deformation theory, the total deformation gradient tensor is defined to map the initial state, Cartesian coordinate, to the final polar coordinate. To evaluate the obtained results from the analytical solution, we conducted finite element analysis for the same problem. Comparing the results of both approaches, it is depicted that the results of analytical solution conforms excellently to the ones of finite element method. Finally, we investigate diverse material and geometrical properties of the hydrogel bilayer to obtain the proper shape shifting and swelling behavior for each particular application.</p>
<p>This article is organized as follows: firstly, in <xref ref-type="sec" rid="s2">section 2</xref>, a constitutive model is presented to predict the mechanical behavior and swelling of pH-sensitive hydrogels. In one of the subsections, the finite deformation theory and the swelling-induced bending of the bilayer structure are introduced. In the last part of this section, the formulations are recast into two coupled second-order nonlinear equations are solved using diverse boundary conditions.</p>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s3">section 3</xref>, the proposed analytical solution is utilized to compute the deformation, stress, bending angle, and curvature and these results are verified with finite element analysis. Several case studies are inspected to find the impacts of the external pH field and also material properties on the swelling of hydrogels and also bidirectional bending of the whole smart structure. Finally, in the last section, we present a summary and draw conclusions.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Finite Bending Deformation of pH-Responsive Hydrogel Bilayers</title>
<p>In this study, the swelling induced finite bidirectional reversible bending of a bilayer composed of two pH-sensitive hydrogel layers under plane strain conditions is studied. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, the hydrogel-based bilayer is made of the bottom poly (HEMA-co-DMAEMA) hydrogel layer denoted by index n &#x3d; 1 and the top poly (HEMA-co-AA) hydrogel layer denoted by index n &#x3d; 2. From now on, we use superscription &#x201c;n&#x201d; to determine each specific parameter related to which layer. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, the bilayer strips have rectangular shapes and are attached through the intermediate edge at <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. At the initial state, the bilayer is in a stress-free state and the Cartesian coordinate is defined to describe the problem at the reference state. Altering the pH value, the bilayer bends regarding different swelling ratios of each layer at that particular pH. For instance, increasing pH value causes the upper poly (HEMA-co-AA) layer to swell significantly, however, the bottom layer hinders the whole structure to swell in the longitudinal direction and brings about the bilayer to bend.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The schematics of the bilayer composed of poly (HEMA-co-AA) and poly (HEMA-co-DMAEMA) hydrogel at <bold>(A)</bold> the reference state, and the deformed state created by <bold>(B)</bold> an increase and <bold>(C)</bold> decrease in pH.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g001.tif"/>
</fig>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Kinematics</title>
<p>Defining Cartesian coordinate for the reference configuration, the position vector at the initial state is defined as:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x222A;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x221E;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x221E;</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where e<sup>1</sup> and e<sup>&#x2212;1</sup> are defined the in-plane axes at the reference state; while <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is assumed the out-plane axis. In this equation, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the thickness of layers (1) and (2), respectively. Thus, the total thickness of the bilayer at the initial state is computed as <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Regarding the shape-shifting of the bilayer structure from a flat strip to a semi-annular shape after bending, the deformed configuration is defined in polar coordinates as follows:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x222A;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>&#xce;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x221E;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x221E;</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In which <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is considered as bending semi-angle. Additionally, <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are used to describe the inner and outer radii of the whole bilayer at the deformed state; while <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the interfacial radius. Due to the restriction in out-plane direction, the stretch along this direction is <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Furthermore, all of the variables do not have variations in the tangential direction. Additionally, the tangential component of the position vector, <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m11">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, is a linear function of <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, the deformation gradient tensor corresponding to the pH-sensitive hydrogel layers is determined as:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">e</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where i can be one and two for two layers. Accordingly, the principal stretches in each layer can be computed as follow:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Free Energy Density Function for pH-Sensitive Hydrogel</title>
<p>As discussed before, in this section, a well-known constitutive model proposed by Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>) is utilized to predict the mechanical behavior and swelling of pH-sensitive hydrogel. In this model, the free energy density is additively formed of four energy parts as below:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m15">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>in which <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the nominal concentration of each ion, including, the counter- and co-ions, and also hydrogen ions which are defined as <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the concentration of mobile ions at the reference state, including co- and counter-ions, and hydrogen ions. The first term, <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is the network stretching free energy. The second and third ones are defined as the part of the total free energy which is the result of mixing the solvent with polymer network and mobile ions, respectively. Additionally, the final term, <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is the portion of free energy corresponding to the dissociation of the acidic groups dissociating which is a function of concentrations of associated acidic groups, <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, fixed charges, <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m22">
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and also the rise of enthalpy energy during the dissociation process of each acidic group, <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m23">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In this equation, the elastic modulus of each layer <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a function of polymer chains&#x2019; density <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and temperature <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m26">
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m28">
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the Boltzmann&#x2019;s constant which is equal to <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>1.38</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>23</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Additionally, considering the right Cauchy-Green tensor as <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the first invariant of this tensor is <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m31">
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. All of the energy parts are described as a function of the ratio of the hydrogel volume in the current state to the initial state, which is obtained by the determinant of the deformation gradient tensor, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m32">
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, parameters <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m33">
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m34">
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> , respectively, represent the volume of each solvent molecule and the mixing parameter which is calculated through the experimental test.</p>
<p>Moreover, Prevailing the electro-neutrality in the body of pH-sensitive hydrogel and the surrounded solution as well as considering the consistency of the number of acidic groups are led to:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m35">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In this equation, the ratio of the number of the acidic groups which are attached to the network to the number of monomers is shown by parameter <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m36">
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Stress Distribution</title>
<p>Regarding the large deformation theory, considering the Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>) free energy density, the Cauchy stress can be computed using the following relation:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, substituting the total free energy density into <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref>, the Cauchy stress components for pH-sensitive hydrogel are determined as:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>log</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in this equation represents the nominal concentration of ion <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m40">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in the deformed state. The determinant of the deformation gradient tensor relates the concentration of each ion in the current state and the initial state.<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To simplify the obtained equations for stress components, we rewrite the equations in order to be a function of just two ions&#x2019; concentrations, <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this regard, the Donnan equations, as given below, are employed to satisfy the ionic equilibrium condition.<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>using <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equations 6</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, the chemical dissociation equilibrium is recast as follows:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>det</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>in which <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denote the Avogadro number and acidic dissociation constant, respectively. Rewriting <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation (12)</xref> based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equations 10</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">11</xref>, all of the ions&#x2019; concentrations at the current state can be substituted by a function of hydrogen concentration. Thus, this equation is given by:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m50">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b6;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Solving this cubic equation, the hydrogen concentration at the current state can be found. Additionally, by substituting principal stretches and ions concentration into <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>, the radial and tangential stress components for each hydrogel layer are determined as:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>in which<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a0;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In this equation, for the sake of simplicity, the derivative of the current radius for layer (n) with respect to <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is named <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Accordingly, <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equations 15</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref> describe the radial and tangential components of stress for both layers. It is notable that the initial stretch, current radius, derivative of current radius, cross-linked density, and the height of each layer are different which results in unequal stress values for the layers. Additionally, the length and the semi-angle are similar in both layers. Superscript (n) distinguishes that the parameter belongs to which layer. Considering the symmetry, the equilibrium equation for each layer which is determined as follows should be utilized to find the current radius and semi-angle at the current state. Finding these variables, we can calculate all of the parameters since they are written as a function of just these variables.<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting the stress components in equilibrium equations, we obtain two nonlinear equations for the hydrogel layers.<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x395;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x395;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x395;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x395;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x395;</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The coefficients of this nonlinear equation for each layer are given as follows:<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m58">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ln</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In order to solve these two nonlinear second-order equations, we firstly substitute the hydrogen concentration as a function of semi-angle, current radius, and its derivative to these equations. Then, we required several boundary conditions to solve the two coupled nonlinear equations. Moreover, the convexity of the energy considered in this paper results in the unique solution for the problem.</p>
<p>The first two boundary conditions are that the upper surface of layer 2) and also the bottom surface of the hydrogel layer 1) are traction-free as given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref>. Additionally, at the intermediate surface between two layers, we have two other boundary conditions. The first one is that the current radius at the intermediate surface should be equal in both layers which is stated in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equation 23</xref>. Secondly, the radial stress of the two hydrogel layers should be equal at the intermediate surface, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Equation 24</xref>. Moreover, the bilayer&#x2019;s shape-shifting is due to the internal force and moments generated by the variation in pH. However, there is no external force or moment applied to the structure. Accordingly, the force and moment generated by the hoop stress component in each cross-section of the hydrogel bilayer are required to be zero, as given in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equations 25</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>.<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munderover>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To solve the coupled nonlinear equation, using the above boundary condition, an iterative method has been implemented. In the first stage, the initial semi-angle is assumed by the initial guess. Then, since the net force and momentum should be vanished, employing an optimization technique (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Byrd et al., 2000</xref>), the semi-angle in each iteration is determined by minimizing the residuals tolerance of the equations system. This iterative method continues till we reach a proper residual value. After that, the calculated semi-angle is utilized to determine <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which results in computing all of the other parameters.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results|discussion" id="s3">
<title>3 Results and Discussion</title>
<p>In this section, in order to demonstrate the accuracy and performance of the presented analytical solution for bidirectional reversible bending of hydrogel bilayer, we investigate some case studies and compare the results with the finite element analysis.</p>
<p>Accordingly, here, we first explain how we analyzed this problem in the finite element package, Abaqus, and then we utilize this method to evaluate the presented analytical solution. In the first step, we need to implement the pH-sensitive hydrogel constitutive model in finite element software and next, use that to predict the mechanical behavior of this material under various loading conditions. Therefore, regarding the Abaqus user&#x2019;s guide, to define the mechanical properties for soft materials with large deformation, we can implement the UHYPER subroutine using the free energy density defined for that particular material. According to the Abaqus user&#x2019;s guide, in order to define a User subroutine UHYPER for hyperelastic material, we first should compute the strain energy density function, and its first, second, and third derivatives with respect to strain invariants. Thus, using the constitutive model introduced by Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>), we calculated the total energy, and energy derivatives to implement the UHYPER subroutine for pH-sensitive hydrogel. Then, we added this subroutine to Abaqus instead of the material properties of hydrogels. Using the material parameters reported in Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>), we verify our subroutine with the results presented by Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>).</p>
<p>Then, two rectangular strips made of pH-sensitive hydrogels with a thickness of 0.005&#xa0;m and length of 0.02&#xa0;m are considered at the initial state under plane strain conditions. The upper layer of the bilayer is made of poly (HEMA-co-DMAEMA) and the lower layer is composed of poly (HEMA-co-AA). The material parameters used in this paper are extracted from Marcombe et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>) and are reported in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. In order to analyze the same problem in FEM, two rectangular strips with a thickness of 0.005&#xa0;m and length of 0.02&#xa0;m are sketched in the &#x201c;part section&#x201d;. Due to the symmetry assumption, one-half of the hydrogel bilayer is modeled with proper boundary conditions. The 2D plane strain deformable parts are assumed with a 4-node bilinear plane strain quadratic element type mesh, which is called CPE4. Additionally, an extra length is considered in FE modeling and then eliminated to avoid the end effect. Furthermore, the material parameters are assigned in the &#x201c;property section&#x201d; or in the UHYPER subroutine.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>The material parameters of poly (HEMA-co-DMAEMA) and poly (HEMA-co-AA) pH-sensitive hydrogel (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Marcombe et al., 2010</xref>).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">KT</th>
<th align="center">F</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m67">
<mml:mtext>&#x3c7;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m68">
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">N</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>J</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>28</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>25</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4.3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>7.3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>To elaborate the swelling of each hydrogel layer, we first consider two hydrogel cubes made of poly (HEMA-co-DMAEMA) and poly (HEMA-co-AA) pH-sensitive hydrogel and investigate the free-swelling of these hydrogel materials. For the poly (HEMA-co-DMAEMA) cube, the pH value alters from nine to two and the hydrogel cube swells freely and absorbs a considerable amount of water. While for the poly (HEMA-co-AA) cube, changing pH from two to nine brings about the hydrogel structure to undergo large deformation and swell. In the free-swelling loading, the principal stretches in all directions are equal as <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Regarding <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref> and the stress-free condition in this loading, the reference stretches of hydrogel structure can be computed by satisfying the equilibrium condition. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A,B</xref>, the swelling ratio of poly (HEMA-co-AA) and poly (HEMA-co-DMAEMA) under free-swelling are presented for diverse cross-linked densities. It is illustrated that the swelling ratio for poly (HEMA-co-AA) and poly (HEMA-co-DMAEMA) in the pH range of two&#x2013;nine are similar in magnitude and Symmetry at pH &#x3d; 5.5. as demonstrated in this figure, changing pH could result in significant volume change in both hydrogel materials which enables us to use them in different smart valves, sensors, and actuators.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>The swelling ratio of a free <bold>(A)</bold> poly (HEMA-co-AA) and <bold>(B)</bold> poly (HEMA-co-DMAEMA) hydrogel subjecting to pH change of the surrounded solution.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g002.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, the cross-linked density of the hydrogels alters from 0.001 to 0.01 which is a conventional range for hydrogels as seen before (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Shojaeifard and Baghani, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Shojaeifard et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Shojaeifard et al., 2020c</xref>). It is depicted that the higher the cross-linked density of the hydrogel structure is the smaller the swelling ratio we archives. This point implies the higher stiffness the hydrogel has in structures with higher cross-linked density. Additionally, it can be observed that these pH-sensitive hydrogels undergo dramatic volume changes in the range of 4.5&#x2013;6.</p>
<p>In the next case study, the hydrogel bilayer at the initial state is located in a water solution with pH &#x3d; 5.5. The lower strip is made of poly (HEMA-co-AA) and the upper layer is composed of poly (HEMA-co-DMAEMA). Applying pH variation in the external solution results in the structure bending. To illustrate the bidirectional reversible bending of this hydrogel-based bilayer, we changed the pH of the aqueous solution in the following order:<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m79">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>9</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5.5</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, increasing pH from 5.5 to nine causes the bilayer structure to bend downward since the top poly (HEMA-co-AA) layer swells and the bottom poly (HEMA-co-DMAEMA) layer deswells. Next, decreasing pH from nine to 5.5 makes the hydrogel structure undergo reversible bending due to swelling of the lower strip and deswelling of the upper strip. To generate the opposite side bending, the smart bilayer is exposed to a pH drop from 5.5 to 2. Accordingly, the upper poly (HEMA-co-AA) layer shrinks regarding the pH reduction while the poly (HEMA-co-DMAEMA) one enlarges significantly and absorbs a great amount of water solution. To return the structure to its initial configuration, straight rectangular layers, the pH of the external solvent alters from 2 to 5.5. Therefore, the circular shaper bilayer at pH &#x3d; 2 undergoes shape-shifting and becomes a flat bilayer at pH &#x3d; 5.5. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, changing pH from 5.5 to 9 generates downward bending; while pH variation from 5.5 to 9 creates upward bending. Therefore, this hydrogel-based bilayer can easily be controlled by altering the pH of the surrounded solvent. The shape-transforming observed in this smart structure is bidirectional reversible bending which can be employed in different applications regarding its swelling behavior in response to the external field.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The bidirectional reversible bending of hydrogel bilayer composed of poly (HEMA-co-AA) and poly (HEMA-co-DMAEMA) under pH variation described in <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g003.tif"/>
</fig>
<p>Here, we want to focus more on the bidirectional bending of the hydrogel bilayer. Thus, to evaluate the proposed analytical solution, from now on, finite element analysis is conducted beside the analytical solution or the same problem and the results are compared. Accordingly, the first parameter we aim to study is the bending curvature which is defined as <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this equation, <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the inner radius during that bending; for instance, for upward bending the surface at <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> maps into the inner radius while in downward bending the surface at <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> turns into the inner radius. <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, depicts the bending semi-angle in both upward and downward bending considering analytical solution as well as finite element analysis. It is notable that the trend of bending curvature variation in response to pH variation is similar to bending angle. As shown in this figure, the bending semi-angle is presented versus pH variation for diverse cross-linked densities, including 0.001, 0.005, and 0.01. It is observed that whether the pH reduces or increases, the bending curvature and also the semi angle begin to grow. The bending curvature grows from zero to 40, 57, and 98 with a similar trend to the bending angle for 0.01, 0.005, and 0.001. It is obvious that in the vicinity of pH &#x3d; 5.5, the bending curvature of the hydrogel bilayer varies significantly regarding the large volume change of poly (HEMA-co-AA) and poly (HEMA-co-DMAEMA) in this pH range. It is also apparent that since hydrogels with lower cross-linked density are softer than the ones with larger cross-linked density, hydrogel wih <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has a larger swelling ratio than the one with <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which results in approximately 2.5 times larger bending curvature and semi angle. Additionally, it is depicted that the results of the analytical solution and finite element study have an excellent agreement which illustrates the accuracy of the presented solution. Accordingly to be short, the smaller the cross-linked density of the hydrogel structure is, the larger swelling ratio the hydrogel has which brings about a larger bending angle and curvature.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>The bending semi-angle of pH-sensitive hydrogel bilayer with <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0.005</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under pH variation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g004.tif"/>
</fig>
<p>In the next case study, we aim to investigate the deformation of the hydrogel bilayer with various cross-linked densities in response to a variety of pH variations. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref>, the pH of the surrounded solution changes from the initial state pH &#x3d; 5.5 to different values, including 6, 7, and 8.5 to explore its effects on the swelling of hydrogel bilayer and its bending. In <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref> case study, the cross-linked density is considered <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and as depicted in this figure, raising the pH value from 5.5 causes the structure to bend more which results in a higher bending angle and lower inner radius. Since the current radius is independent of the bilayer aspect ratio, the in-plane direction <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is normalized with the height of the bilayer, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m90">
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5B</xref> also demonstrates the normalized current radius when the pH of the solution diminished from 5.5 to 5, 4, and 2.5. It is obvious that the current radius in two case studies, increasing and decreasing pH, varies symmetrical with respect to pH &#x3d; 5.5. Accordingly, the hydrogel bilayer has symmetrical bi-directional bending which is not observed in previous studies in which the structure is sensitive to two diverse external stimuli or in the case that the bilayer is made of hydrogel and elastomer. As observed in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A,B</xref> the deformation of the bilayer is presented using the analytic solution and finite element method which illustrates great conformity. This accuracy between the results of the two approaches evaluates the proposed analytical solution.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>The comparison of deformation in hydrogel bilayer with <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(A)</bold> at pH <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>8.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as well as <bold>(B)</bold> pH <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>2.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using both analytical solution and finite element analysis.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g005.tif"/>
</fig>
<p>Here, the normalized radial and tangential stress distributions along the height of the bilayer are inspected for the above case studies in which solution pH increases and also decreases from the reference condition with pH &#x3d; 5.5. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F7">7A</xref> presented the radial and hoop stress components in both pH-sensitive layers when solution pH varies from 5.5 to 6, 7, and 8.5. It is depicted that raising the pH generates stresses with higher magnitude in the bilayer structure. Additionally, <xref ref-type="fig" rid="F6">Figures 6B</xref>,<xref ref-type="fig" rid="F7">7B</xref> demonstrate the stress component under the decrease of solution pH which has symmetrical trends in comparison with results under pH increase. The symmetrical behavior in bidirectional bending of bilayer enables us to use this structure in diverse applications. It is also obvious that the stress distribution computed in both analytical and finite element methods agrees with each other and satisfies the boundary conditions presented in <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equations 21</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref>. The radial stress at the inner and outer surfaces vanishes and at the interface, both layers have equal radial stress at <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The swelling in response to the increase and decrease of pH results in raising the stress components in the bilayer.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The radial stress distributions for both hydrogel layers with <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <bold>(A)</bold> pH increases from 5.5 to 6, 7, and 8.5 as well as <bold>(B)</bold> decrease of pH from 5.5 to 5, 4, 2.5.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g006.tif"/>
</fig>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>The hoop stress distributions for both hydrogel layers with <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when <bold>(A)</bold> pH increases from 5.5 to 6, 7, and 8.5 as well as <bold>(B)</bold> decrease of pH from 5.5 to 5, 4, 2.5.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g007.tif"/>
</fig>
<p>In this part, we aim to investigate the cross-linked density effects on deformation and stress components. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, the current radius of the bilayer is presented along with the bilayer&#x2019;s height after changing pH from 5.5 to 9. As observed in this figure, the radius distribution in each layer has an approximately linear function. It is illustrated that the higher cross-linked density results in a stiffer structure which swells less in response to pH variation. Accordingly, this structure bends less and has a larger current radius. It is clear that the outer radius of the bottom layer is equal to the inner radius of the top layer which also satisfies the boundary condition presented in <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equation 23</xref>. The agreement between the finite element method and analytical solution results in this case study also verifies the accurate performance of the proposed solution.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>The comparison of normalized current radius in hydrogel bilayer with diverse cross-linked densities at pH &#x3d; 8.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g008.tif"/>
</fig>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A,B</xref> depict the radial and hoop stress distribution along with the normalized height of the bilayer after altering the pH of the solution from 5.5 to 9 to undergo the maximum bending. It is shown that the different stiffnesses are considered to inspect hydrogel bilayer behavior. It is obvious that the trends of the stress components are the same while the magnitudes are different. For instance, the stress components of the bilayer composed of hydrogel with <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> have an extreme magnitude in response to the others regarding its stiffness. It is clear that the radial stress components at the bottom and top surfaces of each layer satisfy the boundary conditions. <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9A</xref> illustrates tensile radial stress in the middle region of the bilayer in both layers. While <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9B</xref> depicts that in the middle of the bilayer, each layer experiences a different type of hoop stress in each layer: tensile and compressive.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>The normalized <bold>(A)</bold> radial and <bold>(B)</bold> hoop stress distributions in hydrogel bilayer with diverse cross-linked densities at pH &#x3d; 8.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g009.tif"/>
</fig>
<p>Moreover, the hoop stress is zero at approximately <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and 0.8 for pH values higher than 5.5. While the hoop stress vanishes at approximately <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and 0.9 for pH values lower than 5.5 for diverse cross-linked densities as depicted in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref>. These points are considered as the neutral axes of the bilayer. The hydrogel bilayer that is assumed for this study, contains two neutral axes, each one located on a layer, and their locations are fixed for the materials with different cross-linked densities N&#x3bd;&#x2032;s. The number and location of the neutral axes might be influenced by the geometry or the difference between the stiffness of the layers.</p>
<p>Here, we examined the effects of different parameters on bending semi-angle. As, shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, a hydrogel bilayer with diverse aspect ratios and cross-linked density <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.005</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> considered at the reference state pH &#x3d; 5.5. The water solution pH changes from 5.5 to higher and lower values. The pH alteration results in hydrogel swelling and bending of the bilayer. Accordingly, the semi-angle bending of this bilayer is presented in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>, for each case with various final pH and also different aspect ratios using both analytical solution and finite element analysis. It is demonstrated that for a higher aspect ratio <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the bending semi-angle is larger. For instance, for <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> both upward and downward bending at pH &#x3d; 9 and also pH &#x3d; 2, respectively, have bending semi-angle 2.7 times larger than hydrogel bilayer with <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Additionally, during the pH increase process, the higher the pH value we reach, the higher hydrogel swelling and bending angle we take. However, during pH reduction, the lower the pH the solution has the larger semi-angle the hydrogel bilayer undertake. It is also depicted that the analytical solution and finite element method achieved similar bending angles which verifies the accuracy of the proposed analytical solution for bending of bilayer structure.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>The bending semi-angle of hydrogel with <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.005</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for diverse aspect ratios, including <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in response to pH variation from pH &#x3d; 5.5&#xa0;at reference state to higher and lower values.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fmats-09-865652-g010.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Conclusion and Summary</title>
<p>In this study, regarding the importance of bidirectional reversible bending of structures in diverse applications such as valves, actuators, and sensors, we introduce a new design concept of a hydrogel bilayer composed of poly (HEMA-co-DMAEMA) layer and a poly (HEMA-co-AA) which undergoes similar finite bending in both directions. Then, we developed an analytical approach to solve the swelling induced by reversible bidirectional bending of each layer in response to pH variation. The poly (HEMA-co-DMAEMA) and the poly (HEMA-co-AA) layers have diverse mechanical behavior when they are exposed to pH change. poly (HEMA-co-AA) swells drastically at higher pH while the structures made of poly (HEMA-co-DMAEMA) absorb water and swell considerably at lower pH. Using this opposite behavior which results in diverse swelling ratios in each layer at the same pH, the bidirectional bending of this bilayer is introduced while the bending in both directions is completely the same unlike previous methods presented to capture bidirectional bending.</p>
<p>The formulation of this problem recast into two coupled second-order nonlinear equations which are solved using boundary conditions on deformation, stress, force, and momentum. The proposed analytical method is verified with finite element analysis for diverse case studies and the conformity between the results of both approaches illustrates the accuracy and robustness of the presented analytical method. The deformation, bending curvature, bending angle, and stress components are examined to find the effects of material properties and also the external field on the bilayer mechanical behavior. It is shown that the softer hydrogels with smaller cross-linked density have a larger swelling ratio which results in a higher bending angle and bending curvature. While the stress magnitudes of the softer hydrogels are less than the ones with higher cross-linked density. Additionally, changing pH value from 5.5 to higher pH brings about considerable swelling and larger bending angles. For instance, it was shown that the final solution pH &#x3d; 9 generates a stress magnitude 10 times larger than the one with final pH equals to 6.</p>
<p>To sum up, it was shown that different bending angles and curvatures could be captured by controlling material properties, external pH field, and geometry of the structure. Using this approach, the researchers can construct various controllable structures which required bidirectional reversible bending.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s5">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusions of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author Contributions</title>
<p>Authors contribution statement MS: Methodology, Coding, Writing&#x2014;original draft. SN: Methodology, Writing&#x2014;original draft. MB: Conceptualization, Supervision.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s7">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
<p>The handling editor declared a past co-authorship with one of the authors MB.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s8">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abdolahi</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arbabi</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mazaheri</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Analytical and Numerical Analysis of Swelling-Induced Large Bending of Thermally-Activated Hydrogel Bilayers</article-title>. <source>Int. J. Solids Struct.</source> <volume>99</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijsolstr.2016.08.017</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Arbabi</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abdolahi</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mazaheri</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mashhadi</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Finite Bending of Bilayer pH-Responsive Hydrogels: A Novel Analytic Method and Finite Element Analysis</article-title>. <source>Compos. Part B Eng.</source> <volume>110</volume>, <fpage>116</fpage>&#x2013;<lpage>123</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compositesb.2016.11.006</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Beebe</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>J. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bauer</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>R. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Devadoss</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Functional Hydrogel Structures for Autonomous Flow Control inside Microfluidic Channels</article-title>. <source>Nature</source> <volume>404</volume> (<issue>6778</issue>), <fpage>588</fpage>&#x2013;<lpage>590</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35007047</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Byrd</surname>
<given-names>R. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gilbert</surname>
<given-names>J. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nocedal</surname>
<given-names>J. J. M. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>A Trust Region Method Based on Interior Point Techniques for Nonlinear Programming</article-title>. <source>Math. Program.</source> <volume>89</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>149</fpage>&#x2013;<lpage>185</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/pl00011391</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Curatolo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Napoli</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nardinocchi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Turzi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Dehydration-induced Mechanical Instabilities in Active Elastic Spherical Shells</article-title>. <source>Proc. R. Soc. A</source> <volume>477</volume> (<issue>2254</issue>), <fpage>20210243</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.2021.0243</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Curatolo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nardinocchi</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puntel</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Teresi</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Transient Instabilities in the Swelling Dynamics of a Hydrogel Sphere</article-title>. <source>J. Appl. Phys.</source> <volume>122</volume> (<issue>14</issue>), <fpage>145109</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.5007229</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>De</surname>
<given-names>S. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aluru</surname>
<given-names>N. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Crone</surname>
<given-names>W. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beebe</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Equilibrium Swelling and Kinetics of pH-Responsive Hydrogels: Models, Experiments, and Simulations</article-title>. <source>J. Microelectromechanical Syst.</source> <volume>11</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>544</fpage>&#x2013;<lpage>555</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/jmems.2002.803281</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Deligkaris</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tadele</surname>
<given-names>T. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Olthuis</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>van den Berg</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Hydrogel-based Devices for Biomedical Applications</article-title>. <source>Sensors Actuators B Chem.</source> <volume>147</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>765</fpage>&#x2013;<lpage>774</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.snb.2010.03.083</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Evangelista</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hotton</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dumais</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>The Mechanics of Explosive Dispersal and Self-Burial in the Seeds of the Filaree, Erodium Cicutarium (Geraniaceae)</article-title>. <source>J. Exp. Biol.</source> <volume>214</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>521</fpage>&#x2013;<lpage>529</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1242/jeb.050567</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Dual-stimulus Bilayer Hydrogel Actuators with Rapid, Reversible, Bidirectional Bending Behaviors</article-title>. <source>J. Mater. Chem. C</source> <volume>7</volume> (<issue>17</issue>), <fpage>4970</fpage>&#x2013;<lpage>4980</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c9tc00180h</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <article-title>Synthesis and Application of Modulated Polymer Gels</article-title>. <source>Science</source> <volume>269</volume> (<issue>5223</issue>), <fpage>525</fpage>&#x2013;<lpage>527</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.269.5223.525</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ionov</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Biomimetic Hydrogel-Based Actuating Systems</article-title>. <source>Adv. Funct. Mat.</source> <volume>23</volume> (<issue>36</issue>), <fpage>4555</fpage>&#x2013;<lpage>4570</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/adfm.201203692</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jamal</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zarafshar</surname>
<given-names>A. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gracias</surname>
<given-names>D. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Differentially Photo-Crosslinked Polymers Enable Self-Assembling Microfluidics</article-title>. <source>Nat. Commun.</source> <volume>2</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>527</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms1531</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jeong</surname>
<given-names>K.-U.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jang</surname>
<given-names>J.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>D.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nah</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>M.-H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Three-dimensional Actuators Transformed from the Programmed Two-Dimensional Structures via Bending, Twisting and Folding Mechanisms</article-title>. <source>J. Mat. Chem.</source> <volume>21</volume> (<issue>19</issue>), <fpage>6824</fpage>&#x2013;<lpage>6830</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c0jm03631e</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>La Flamme</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peppas</surname>
<given-names>N. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Dynamic Swelling Behavior of pH&#x2010;sensitive Anionic Hydrogels Used for Protein Delivery</article-title>. <source>J. Appl. Polym. Sci.</source> <volume>89</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>1606</fpage>&#x2013;<lpage>1613</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/app.12337</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hanna</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Byun</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Santangelo</surname>
<given-names>C. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hayward</surname>
<given-names>R. C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Designing Responsive Buckled Surfaces by Halftone Gel Lithography</article-title>. <source>Science</source> <volume>335</volume> (<issue>6073</issue>), <fpage>1201</fpage>&#x2013;<lpage>1205</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1215309</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Laschi</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trimmer</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Soft Robotics: a Bioinspired Evolution in Robotics</article-title>. <source>Trends Biotechnol.</source> <volume>31</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>287</fpage>&#x2013;<lpage>294</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tibtech.2013.03.002</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koller</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1990</year>). <article-title>Light-driven Leaf Movements&#x2a;</article-title>. <source>Plant Cell Environ.</source> <volume>13</volume> (<issue>7</issue>), <fpage>615</fpage>&#x2013;<lpage>632</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1365-3040.1990.tb01079.x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kwon</surname>
<given-names>G. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Choi</surname>
<given-names>Y. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>J. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Woo</surname>
<given-names>D. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>K. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Electrically-driven Hydrogel Actuators in Microfluidic Channels: Fabrication, Characterization, and Biological Application</article-title>. <source>Lab. Chip</source> <volume>10</volume> (<issue>12</issue>), <fpage>1604</fpage>&#x2013;<lpage>1610</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/b926443d</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kwon</surname>
<given-names>G. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jeong</surname>
<given-names>G. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>J. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moon</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>S.-H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>A Low-Energy-Consumption Electroactive Valveless Hydrogel Micropump for Long-Term Biomedical Applications</article-title>. <source>Lab. Chip</source> <volume>11</volume> (<issue>17</issue>), <fpage>2910</fpage>&#x2013;<lpage>2915</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c1lc20288j</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Le</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Recent Progress in Biomimetic Anisotropic Hydrogel Actuators</article-title>. <source>Adv. Sci.</source> <volume>6</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>1801584</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/advs.201801584</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Serpe</surname>
<given-names>M. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Reversible Bidirectional Bending of Hydrogel-Based Bilayer Actuators</article-title>. <source>J. Mater. Chem. B</source> <volume>5</volume> (<issue>15</issue>), <fpage>2804</fpage>&#x2013;<lpage>2812</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c7tb00426e</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lin</surname>
<given-names>H. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leisk</surname>
<given-names>G. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trimmer</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>GoQBot: a Caterpillar-Inspired Soft-Bodied Rolling Robot</article-title>. <source>Bioinspir Biomim.</source> <volume>6</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>026007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1748-3182/6/2/026007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boatti</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bertoldi</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kramer-Bottiglio</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Stimuli-induced Bi-directional Hydrogel Unimorph Actuators</article-title>. <source>Extreme Mech. Lett.</source> <volume>21</volume>, <fpage>35</fpage>&#x2013;<lpage>43</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.eml.2018.03.001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ai</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Isakov</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>3D Printed Reversible Shape Changing Components with Stimuli Responsive Materials</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>6</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>24761</fpage>&#x2013;<lpage>24813</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep24761</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ai</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Isakov</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>3D Printed Reversible Shape Changing Components with Stimuli Responsive Materials</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>6</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>24761</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep24761</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marcombe</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hong</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lapusta</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Suo</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>A Theory of Constrained Swelling of a pH-Sensitive Hydrogel</article-title>. <source>Soft Matter</source> <volume>6</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>784</fpage>&#x2013;<lpage>793</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/b917211d</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Meng</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>A Review of Stimuli-Responsive Shape Memory Polymer Composites</article-title>. <source>polymer</source> <volume>54</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>2199</fpage>&#x2013;<lpage>2221</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.polymer.2013.02.023</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Morales</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Palleau</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dickey</surname>
<given-names>M. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Velev</surname>
<given-names>O. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Electro-actuated Hydrogel Walkers with Dual Responsive Legs</article-title>. <source>Soft Matter</source> <volume>10</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>1337</fpage>&#x2013;<lpage>1348</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C3SM51921J</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Finite Deformation of Swollen pH-Sensitive Hydrogel Cylinder under Extension and Torsion and its Poynting Effect: Analytical Solution and Numerical Verification</article-title>. <source>Int. J. Appl. Mech.</source> <volume>13</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>2150071</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s175882512150071x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>On Single and Multiple pH-Sensitive Hydrogel Micro-valves: A 3D Transient Fully Coupled Fluid&#x2013;Solid Interaction Study</article-title>. <source>Transp. Porous Media</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11242-021-01625-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>PH-sensitive Hydrogel-Based Valves: A Transient Fully-Coupled Fluid-Solid Interaction Study</article-title>. <source>J. Intelligent Material Syst. Struct.</source> <volume>33</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>196</fpage>&#x2013;<lpage>209</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1045389x211011671</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Osada</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gong</surname>
<given-names>J.-P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1998</year>). <article-title>Soft and Wet Materials: Polymer Gels</article-title>. <source>Adv. Mat.</source> <volume>10</volume> (<issue>11</issue>), <fpage>827</fpage>&#x2013;<lpage>837</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/(sici)1521-4095(199808)10:11&#x3c;827::aid-adma827&#x3e;3.0.co;2-l</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pourjavadi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Heydarpour</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tehrani</surname>
<given-names>Z. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Multi-stimuli-responsive Hydrogels and Their Medical Applications</article-title>. <source>New J. Chem.</source> <volume>45</volume> (<issue>35</issue>), <fpage>15705</fpage>&#x2013;<lpage>15717</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d1nj02260a</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reyssat</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mahadevan</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Hygromorphs: from Pine Cones to Biomimetic Bilayers</article-title>. <source>J. R. Soc. Interface.</source> <volume>6</volume> (<issue>39</issue>), <fpage>951</fpage>&#x2013;<lpage>957</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsif.2009.0184</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sheikhi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Finite Bending and Straightening of Hyperelastic Materials: Analytical Solution and FEM</article-title>. <source>Int. J. Appl. Mech.</source> <volume>11</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>1950084</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s1758825119500844</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Finite Deformation Swelling of a Temperature-Sensitive Hydrogel Cylinder under Combined Extension-Torsion</article-title>. <source>Appl. Math. Mech.-Engl. Ed.</source> <volume>41</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>409</fpage>&#x2013;<lpage>424</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10483-020-2585-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>On the Finite Bending of Functionally Graded Light-Sensitive Hydrogels</article-title>. <source>Meccanica</source> <volume>54</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>841</fpage>&#x2013;<lpage>854</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11012-019-01004-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bayat</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Swelling-induced Finite Bending of Functionally Graded pH-Responsive Hydrogels: a Semi-analytical Method</article-title>. <source>Appl. Math. Mech.</source> <volume>40</volume> (<issue>5</issue>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10483-019-2478-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dolatabadi</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sheikhi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Coupled Thermo-Mechanical Swelling of a Thermo-Responsive Hydrogel Hollow Cylinder under Extension-Torsion: Analytical Solution and FEM</article-title>. <source>J. Intelligent Material Syst. Struct.</source> <volume>32</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>140</fpage>&#x2013;<lpage>155</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1045389x20951273</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Programmable Self-Folding of Trilayer and Bilayer-Hinge Structures by Time-dependent Swelling of Tough Hydrogels</article-title>. <source>J. Intelligent Material Syst. Struct.</source>, <fpage>1045389X2210774</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1045389x221077435</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Programming Shape-Shifting of Flat Bilayers Composed of Tough Hydrogels under Transient Swelling</article-title>. <source>Acta Mech.</source> <volume>233</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>213</fpage>&#x2013;<lpage>232</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00707-021-03117-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niroumandi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Swelling of pH-Sensitive Hydrogel Pressure Vessel under Altered-pH Coupled with Inflation, Extension, and Torsion</article-title>. <source>Meccanica</source> <volume>1-21</volume>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11012-022-01497-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sheikhi</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baniassadi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>On Finite Bending of Visco-Hyperelastic Materials: A Novel Analytical Solution and FEM</article-title>. <source>Acta Mech.</source> <volume>231</volume> (<issue>8</issue>), <fpage>3435</fpage>&#x2013;<lpage>3450</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00707-020-02733-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tahmasiyan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Swelling Response of Functionally Graded Temperature-Sensitive Hydrogel Valves: Analytic Solution and Finite Element Method</article-title>. <source>J. Intelligent Material Syst. Struct.</source> <volume>31</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>457</fpage>&#x2013;<lpage>474</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1045389x19891544</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Large Deformation of Hyperelastic Thick-Walled Vessels under Combined Extension-Torsion-Pressure: Analytical Solution and FEM</article-title>. <source>Mech. Based Des. Struct. Mach.</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>18</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/15397734.2020.1826963</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stahlberg</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>The Phytomimetic Potential of Three Types of Hydration Motors that Drive Nastic Plant Movements</article-title>. <source>Mech. Mater.</source> <volume>41</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>1162</fpage>&#x2013;<lpage>1171</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmat.2009.05.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Valiollahi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Closed Form Solutions for Large Deformation of Cylinders under Combined Extension-Torsion</article-title>. <source>Int. J. Mech. Sci.</source> <volume>157</volume>, <fpage>336</fpage>&#x2013;<lpage>347</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmecsci.2019.04.053</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Valiollahi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shojaeifard</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baghani</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Implementing Stretch-Based Strain Energy Functions in Large Coupled Axial and Torsional Deformations of Functionally Graded Cylinder</article-title>. <source>Int. J. Appl. Mech.</source> <volume>11</volume> (<issue>04</issue>), <fpage>1950039</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s175882511950039x</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bauer</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moore</surname>
<given-names>J. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beebe</surname>
<given-names>D. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Responsive Biomimetic Hydrogel Valve for Microfluidics</article-title>. <source>Appl. Phys. Lett.</source> <volume>78</volume> (<issue>17</issue>), <fpage>2589</fpage>&#x2013;<lpage>2591</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1367010</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Temperature-sensitive Bending of Bigel Strip Bonded by Macroscopic Molecular Recognition</article-title>. <source>Soft Matter</source> <volume>8</volume> (<issue>21</issue>), <fpage>5750</fpage>&#x2013;<lpage>5752</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c2sm25511a</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>