Nat. Mater: 光驱动水凝胶弹射器

自然界中存在大量超快运动的例子，例如昆虫的跳跃、真菌的孢子弹射、植物的爆炸性种子喷射等，对于生物体捕猎和躲避天敌，以及种群的繁衍具有重要意义。这些运动行为的实现依赖于功率放大策略，受这些自然推进机制的启发，科学家们一直试图制造具有爆发性运动或者大力输出的微型机器人，以用于机器人的微型操作，快速运动，医学应用等等。

然而，目前的功率放大策略通常局限于闩锁式弹簧驱动机制和屈曲不稳定性机制，尽管在机器人中依靠这些机制实现了跳跃或弹射行为，但其性能远低于自然生物的快速跳跃、发射或弹射运动，主要挑战在于基于以上功率放大机制的机器人系统，存在预存能量低，能量释放时间短，集成工艺复杂等问题。

针对这些挑战，研究者从喷瓜（爆炸黄瓜）利用弹性断裂实现功率放大的种子传播现象中汲取灵感，开发了一种工程化的断裂驱动的功率放大（ASEF）策略，实现了具有超越现存常规微型工程机器系统性能（功率密度输出和加速度）的光驱动水凝胶弹射器。该研究成果以“Fracture-driven power amplification in a hydrogel launcher” 为题发表在Nature Materials上。

图 1. 破裂诱导功率放大（ASEF）概念以及水凝胶弹射器的运动性能

自然界中很多植物利用爆炸性开裂将种子喷射到很远的地方，例如，喷瓜（爆炸黄瓜）在生长过程中，果肉转变成粘液状的液体，内部渗透压增加，在这个过程中果壁被显著拉伸，应变能不断积累直到达到临界压力，然后果实顶部破裂将种子喷射到很远的地方。本文中，作者们受喷瓜的种子传播方式的启发，开发了一种破裂诱导积累的应变能瞬间释放进而实现功率放大的策略(ASEF)。在本研究中，作者利用一种光驱动水凝胶弹射器展示这种功率放大策略。弹射器由石墨烯嵌入高韧高弹的水凝胶基体中制备而成，当受到近红外光照射时，石墨烯由于良好的光热转换能力会在水凝胶网络中快速产生大量的热，使水凝胶中的水在弹射器的内部快速汽化。这种汽化引起的体积膨胀会导致水凝胶发生变形并存储可观的应变能，当达到能量储存极限的时候，弹射器的底面破裂，在0.3 ms内快速释放累积的应变能并转化成动能。ASEF策略使弹射器具有令人惊讶的运动性能，对于一个直径7 mm，厚度3 mm的水凝胶弹射器，可以实现超过193厘米（643 体长）的垂直发射运动，其理论计算起跳速度约为7.5 m/s。作者通过高速摄像观察，其起飞时间为0.3 ms，加速度可计算约为25000 m/s2(>2500 g)。这种ASEF机制赋予了水凝胶弹射器卓越的起飞加速度和功率密度，超过了现存常规的工程跳跃/弹射系统和自然界中具有跳跃/弹射行为的动物，以及在起飞速度方面也超过了大部分的依靠爆破进行种子传播的植物。此外，作者们还实现了利用太阳光进行驱动以及在各种自然环境（例如沙地，植物的叶子等）表面实现这种超快运动，论证了其应用潜力。

图2. 水凝胶微型机器人的结构设计和运动控制

除了垂直发射外，基于ASEF驱动的水凝胶弹射器可以被开发为能够按照预定轨迹运动的水凝胶基软机器人。作者将水凝胶弹射器作为驱动模块嵌入透明的水凝胶基质中构建非对称结构，通过近红外光刺激位于水凝胶弹射器的不同位置的驱动模块，软机器人可以向不同的方向进行跳跃，同方向的跳跃运动展现出类似的跳跃轨迹，证明了每次跳跃的驱动力输出是类似的。基于此，作者们通过改变嵌入的驱动模块的偏心比，实现了可预测轨迹的水凝胶机器人的跳跃运动。通过对比计算模拟的轨迹和真实跳跃的运动轨迹，证明了预测的准确性。此外，作者还通过改变水凝胶的结构组成和几何形状来控制ASEF推进的位置和方向，即通过施加约束层控制水蒸汽的喷射方向（向下喷射或向上喷射），实现了水凝胶弹射器的两种不同的工作模式，即自发射模式和弹射模式。通过使用这两种驱动模式分别实现了微型火箭（自发射模式）的自升空和弹射辅助高速发射微型火箭（弹射模式）。

图3. 喷瓜启发的种子传播和智能播种机器人。

为了展示这种基于ASEF水凝胶弹射器的潜在的机器人领域的应用，作者构建了一个工程版的喷瓜来模拟种子传播过程。水凝胶发射器被组装在3D打印的喷瓜中。在水凝胶发射器的顶部放入黑色玻璃珠来模拟种子。通过光刺激可以实现高速的种子喷射，其最大喷射距离为5.3米，对应的起飞速度为5.95米/秒。这种仿生高速种子喷射运动表明，水凝胶弹射器产生的力和加速度可以与自然界存在的功率放大机制相媲美。此外，弹射器被用来制备水凝胶智能播种机器人，用于农业的自动播种。机器人由水凝胶弹射器、放置在水凝胶体内的植物种子和集成的射频识别模块（RFID）组成。水凝胶机器人由近红外激光驱动，使其跳入智能传感种植床。智能床包含RFID阅读器、栽培土床、自动土壤添加器、自动供水器和加湿器。当水凝胶机器人降落在土床上时，底部的RFID阅读器会从RFID中读取种子的栽培信息，然后传输到控制中心以执行相应的操作，例如定时供水和土壤覆盖。供水后，水凝胶机器人可以吸收水分并膨胀以释放种子，然后将其种植在土壤中。最后，种植的种子成功发芽，表明软机器人在智能农业领域的广阔应用前景。

总结来说，作者提出了一种光驱动的破裂诱导功率放大的方法，利用水凝胶网络的高韧性与嵌入石墨烯的光热响应引起的水相变之间的协同作用，实现了具有ASEF推进能力的水凝胶弹射器，其具有可控的弹射和自发射运动模式，特点是具有极高的起飞加速度（2.5×104m/s2， > 2500 g）、发射高度（643 BL，>1.93 m）和超短的能量释放时间（0.3 ms）。本文的功率放大策略为快速推进运动提供了基础，有助于大幅度提高微型机器人系统的运动能力。

香港中文大学机械与自动化系博士生王鑫与浙江大学机械工程学院潘程枫教授为论文共同第一作者，浙江大学机械工程学院潘程枫教授、卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授和香港中文大学机械与自动化系张立教授为论文共同通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01955-4