中科院最新成果！水凝胶软体机器人实现越野爬行

中科院宁波材科所的实验室里，这个小小的机器人正在“沙地”和“高山”上“翻山越岭”。

别看人家爬得慢，它不仅能实现全地形越野多维运动，还能作为“马达”搬运比自己重很多的货物！

不愧是“小小的身体，蕴含巨大的能量”。

这个小机器人属于软体机器人的一种，是用水凝胶做的。作为可灵活配置的软体机器人，它还能拥有其他身体形态，像这样：

再仔细看看它的步法，有点像尺蠖在树枝上爬行的样子。

尺蠖可以用简单的身体弯曲和交替摩擦在粗糙的树枝上爬行，详细来说，就是前腿先抓住树枝，然后身体拱起弯曲时，后腿会同时向前并抓住树枝，松开前腿向前运动，再次弯曲身体，形成一个运动循环。

这种生物现象激发了很多软体机器人的开发，但与生物相比，现有的软体机器人仍然很难适应复杂地形，或在二维或三维空间自由移动，只能单向运动、或在单基质表面运动。

为了解决软体机器人单一运动的问题，中科院宁波所的科研人员基于智能变形水凝胶制作了这款软体机器人。

▍凝胶海绵上再生长一层水凝胶

我们先简单介绍一下「智能变形水凝胶」：这是一种软、湿态智能材料，能在外界刺激下（例如温度、电、光照等）将自身化学能转化为机械能，同时伴随体积及形态的转变。

然而，变形能力强不代表运动能力强，如何进一步把水凝胶这种原位的变形转化为高效的运动？这是研究人员遇到的第一个挑战。

科研人员使用冰模板的办法，制备了具有超快温度响应的PNIPAm复合水凝胶，它可以分为两部分，里面是一种凝胶“海绵”，外面包裹着一层水凝胶。

“海绵”顾名思义，具有开孔结构，能快速从培养皿中吸收或排出水分，可在5秒内收缩到自身体积的40%。

而外层的水凝胶是通过界面扩散聚合(IDP)策略在“海绵”表面被动生长的，它能够很牢固地固定在“海绵”上。这样一来，复合水凝胶能够快速响应外部温度变化，从而快速弯曲变形。

基于此，研究人员制作了双层水凝胶致动器。理论上说，如果表层的凝胶越厚，输出能量也会增大，但增加的厚度会影响驱动性能，普通的凝胶变形策略正是如此: 通过减小自身厚度来加快响应速度。

值得一提的是，PNIPAm复合水凝胶与普通水凝胶不同，即使该凝胶厚度增加到2mm,其驱动速度也不会有较大损失。因此，在保证凝胶驱动变形速度的同时，PNIPAm复合凝胶能具有更大的体积从而能将自身更多的化学转化为机械能。

接下来，为了使复合凝胶更好得变形可控，科研人员将Fe304纳米颗粒引入外层的水凝胶中，在同样强度的红外线照射下，加了Fe304后可迅速升高到65°C，相比之下没加的水凝胶仅是它的一半，35°C。

▍凝胶机器人的越野爬行

要制备会爬行的机器人，只会弯曲还不够，需要更强的变形能力和自由度。

研究人员将制备好的双层水凝胶切断并重新排序组装，这样一来就拥有了更多的自由度和变形策略。

机器人爬行过程具体如下：

一束红外光首先照射在机器人头部，PNIPAm凝胶海绵感受到Fe3O4纳米颗粒的发热而迅速变形，并能与粗糙基底形成“卯榫结构”，从而增大摩擦力。

随后，红外光逐步移向机器人中部，并不断触发身体的热弯曲收缩，使得机器人整体收缩前进。

当红外光移动到机器人尾部时，对称相反的结构使得尾部凝胶向上弯曲从而抬起头部，与基底的卯榫结构打开，解除锚定。

最后，移除红外光，机器人头部的凝胶会快速回复到初始状态从而触发下一次循环，可以实现机器人持续地爬行过程；同时，在这种动态的卯榫锚定模式下，机器人可以适应多种粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上实现快速爬行。

得益于界面扩散聚合(IDP)策略对凝胶结构的编程，只有两只脚的机器人可进一步仿生进化出六只触手！看起来像只小海星。

通过水凝胶触手之间的互相配合，“小海星”能实现快速的二维爬行。并且通过触手的程序化变形，“小海星”还可在爬行过程中不断调整自身体积，从而适应地形的变化，并成功穿越隘口，山谷以及山脊等一系列复杂地形。

▍还能做马达移动货物

这项研究发表在顶尖期刊《Science》的合作期刊《Research》，研究成员来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队，第一作者兼通讯作者为陈涛研究员，并与浙江大学、之江实验室的郑音飞教授合作。

论文标题为“The Dynamic Mortise-and-Tenon Interlock Assists Hydrated Soft Robots Toward Off-Road Locomotion”。DOI: org/10.34133/research.0015

在论文的结尾，作者提到：PNIPAm凝胶海绵强大的机械能输出能力，使其不仅能作为一个爬行机器人，还能作为“马达电机”来移动比自身大几倍的货物，在组装多个水凝胶电机后，即使是静止的货物也可以被激活并爬行到二维粗糙基板上方或越过复杂的沙地。该策略有利于软体机器人的设计和制造，并可能引起可变形材料、货物转移和信号装置等相关领域的关注。

这项研究得到了国家重点研发计划（2022YFB3200071）、浙江省自然科学基金（LD22E050008，LD22A020002）、浙江省重点研发计划（2022C01002）、中国科学院青年创新促进会（2019297）、浙江省医药卫生重点科技项目、国家卫生健康委员会科研基金（WKJ-ZJ-2009）和国家重大科研仪器开发项目（81827804）等项目的支持。

参考链接：https://imt.nimte.ac.cn/view-26241.html