中科院最新成果！水凝膠軟體機(jī)器人實現(xiàn)越野爬行，甚至可做“馬達(dá)”移動重物！

大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

中科院寧波材科所的實驗室里，這個小小的機(jī)器人正在“沙地”和“高山”上“翻山越嶺”。

別看人家爬得慢，它不僅能實現(xiàn)全地形越野多維運動，還能作為“馬達(dá)”搬運比自己重很多的貨物！

不愧是“小小的身體，蘊(yùn)含巨大的能量”。

這個小機(jī)器人屬于軟體機(jī)器人的一種，是用水凝膠做的。作為可靈活配置的軟體機(jī)器人，它還能擁有其他身體形態(tài)，像這樣：

再仔細(xì)看看它的步法，有點像尺蠖在樹枝上爬行的樣子。

尺蠖可以用簡單的身體彎曲和交替摩擦在粗糙的樹枝上爬行，詳細(xì)來說，就是前腿先抓住樹枝，然后身體拱起彎曲時，后腿會同時向前并抓住樹枝，松開前腿向前運動，再次彎曲身體，形成一個運動循環(huán)。

這種生物現(xiàn)象激發(fā)了很多軟體機(jī)器人的開發(fā)，但與生物相比，現(xiàn)有的軟體機(jī)器人仍然很難適應(yīng)復(fù)雜地形，或在二維或三維空間自由移動，只能單向運動、或在單基質(zhì)表面運動。

為了解決軟體機(jī)器人單一運動的問題，中科院寧波所的科研人員基于智能變形水凝膠制作了這款軟體機(jī)器人。

凝膠海綿上再生長一層水凝膠

我們先簡單介紹一下「智能變形水凝膠」：這是一種軟、濕態(tài)智能材料，能在外界刺激下（例如溫度、電、光照等）將自身化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時伴隨體積及形態(tài)的轉(zhuǎn)變。

然而，變形能力強(qiáng)不代表運動能力強(qiáng)，如何進(jìn)一步把水凝膠這種原位的變形轉(zhuǎn)化為高效的運動？這是研究人員遇到的第一個挑戰(zhàn)。

科研人員使用冰模板的辦法，制備了具有超快溫度響應(yīng)的PNIPAm復(fù)合水凝膠，它可以分為兩部分，里面是一種凝膠“海綿”，外面包裹著一層水凝膠。

“海綿”顧名思義，具有開孔結(jié)構(gòu)，能快速從培養(yǎng)皿中吸收或排出水分，可在5秒內(nèi)收縮到自身體積的40%。

而外層的水凝膠是通過界面擴(kuò)散聚合(IDP)策略在“海綿”表面被動生長的，它能夠很牢固地固定在“海綿”上。這樣一來，復(fù)合水凝膠能夠快速響應(yīng)外部溫度變化，從而快速彎曲變形。

基于此，研究人員制作了雙層水凝膠致動器。理論上說，如果表層的凝膠越厚，輸出能量也會增大，但增加的厚度會影響驅(qū)動性能，普通的凝膠變形策略正是如此: 通過減小自身厚度來加快響應(yīng)速度。

值得一提的是，PNIPAm復(fù)合水凝膠與普通水凝膠不同，即使該凝膠厚度增加到2mm,其驅(qū)動速度也不會有較大損失。因此，在保證凝膠驅(qū)動變形速度的同時，PNIPAm復(fù)合凝膠能具有更大的體積從而能將自身更多的化學(xué)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

接下來，為了使復(fù)合凝膠更好得變形可控，科研人員將Fe304納米顆粒引入外層的水凝膠中，在同樣強(qiáng)度的紅外線照射下，加了Fe304后可迅速升高到65°C，相比之下沒加的水凝膠僅是它的一半，35°C。

凝膠機(jī)器人的越野爬行

要制備會爬行的機(jī)器人，只會彎曲還不夠，需要更強(qiáng)的變形能力和自由度。

研究人員將制備好的雙層水凝膠切斷并重新排序組裝，這樣一來就擁有了更多的自由度和變形策略。

機(jī)器人爬行過程具體如下：

一束紅外光首先照射在機(jī)器人頭部，PNIPAm凝膠海綿感受到Fe3O4納米顆粒的發(fā)熱而迅速變形，并能與粗糙基底形成“卯榫結(jié)構(gòu)”，從而增大摩擦力。

隨后，紅外光逐步移向機(jī)器人中部，并不斷觸發(fā)身體的熱彎曲收縮，使得機(jī)器人整體收縮前進(jìn)。

當(dāng)紅外光移動到機(jī)器人尾部時，對稱相反的結(jié)構(gòu)使得尾部凝膠向上彎曲從而抬起頭部，與基底的卯榫結(jié)構(gòu)打開，解除錨定。

最后，移除紅外光，機(jī)器人頭部的凝膠會快速回復(fù)到初始狀態(tài)從而觸發(fā)下一次循環(huán)，可以實現(xiàn)機(jī)器人持續(xù)地爬行過程；同時，在這種動態(tài)的卯榫錨定模式下，機(jī)器人可以適應(yīng)多種粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上實現(xiàn)快速爬行。

得益于界面擴(kuò)散聚合(IDP)策略對凝膠結(jié)構(gòu)的編程，只有兩只腳的機(jī)器人可進(jìn)一步仿生進(jìn)化出六只觸手！看起來像只小海星。

通過水凝膠觸手之間的互相配合，“小海星”能實現(xiàn)快速的二維爬行。并且通過觸手的程序化變形，“小海星”還可在爬行過程中不斷調(diào)整自身體積，從而適應(yīng)地形的變化，并成功穿越隘口，山谷以及山脊等一系列復(fù)雜地形。

還能做馬達(dá)移動貨物

這項研究發(fā)表在頂尖期刊《Science》的合作期刊《Research》，研究成員來自中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊，第一作者兼通訊作者為陳濤研究員，并與浙江大學(xué)、之江實驗室的鄭音飛教授合作。

論文標(biāo)題為“The Dynamic Mortise-and-Tenon Interlock Assists Hydrated Soft Robots Toward Off-Road Locomotion”。DOI: org/10.34133/research.0015

在論文的結(jié)尾，作者提到：PNIPAm凝膠海綿強(qiáng)大的機(jī)械能輸出能力，使其不僅能作為一個爬行機(jī)器人，還能作為“馬達(dá)電機(jī)”來移動比自身大幾倍的貨物，在組裝多個水凝膠電機(jī)后，即使是靜止的貨物也可以被激活并爬行到二維粗糙基板上方或越過復(fù)雜的沙地。該策略有利于軟體機(jī)器人的設(shè)計和制造，并可能引起可變形材料、貨物轉(zhuǎn)移和信號裝置等相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。

這項研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2022YFB3200071）、浙江省自然科學(xué)基金（LD22E050008，LD22A020002）、浙江省重點研發(fā)計劃（2022C01002）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2019297）、浙江省醫(yī)****衛(wèi)生重點科技項目、國家衛(wèi)生健康委員會科研基金（WKJ-ZJ-2009）和國家重大科研儀器開發(fā)項目（81827804）等項目的支持。

參考鏈接：https://imt.nimte.ac.cn/view-26241.html