近日， 美国西北大学的研究人员首次研制出了一种仿生材料，其本身可以作为一种软体机器人，它不仅能够在液态环境中行动自如，完成拾取和运输物体等任务；而且由从磁场和光驱动，精确度和敏捷性都得到很大提升，其前进速度达到了每秒一步，这甚至与人类步伐速度相当！

这项题为“Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields"的研究，于12月9日在《科学机器人（Science Robotics）》杂志上发表。

（来源：Science Robotics）

研究人员表示，这类仿生软体机器人很可能会被用作生产燃料和药物、海洋环境清理或变革性医疗的“智能”微观系统中。

简单点，再简单点

一般来说，传统的机器人都属于重型机械，它们配有大量的硬件和电子设备，且无法与包括人类在内的软体组织结构安全地交互。



而此次的软体机器人，大小只有几厘米长，内嵌有镍制骨架使其能够响应外部磁场。我们可以将其想象成带有四条腿的章鱼，且占其总重量90%的都是水，它没有任何复杂的硬件或是液压、电力组件。



因此，该软体机器人能够不受体积限制，在水下或地下的微小空间中执行重要任务。



那么构造如此简单的仿生材料，是如何像机器人一样行走甚至还能跳舞的呢？



首先，该软体机器人移动的高精确度和敏捷性的关键在于其内部充满水的结构和嵌入的铁磁性排列的镍制骨架。通过这种方式，我们可以将这种软体机器人视为一个分子网络（分子网络指在生物系统中包含很多不同层面和不同组织形式的网络）。



研究团队使用化学合成法来编程该材料的分子以响应光照。当暴露在光下时，机器人的材料分子会变得疏水（排斥水），导致内部水分丧失，从而使材料的液体稠度达到一定标准，这样才能响应磁场。这种转换使机器人能够继续工作，并从原本的平面形态弯曲到“站立”状态。

图 | 设计用于光和磁场耦合响应的水凝胶（来源：Science Robotics）

研究人员还发现，弯曲行为会使材料更加快速地响应旋转磁场，激活其快速行走的能力。而当光线变弱时，分子恢复到原来的亲水状态，机器人也随之恢复平面形态。但当接收到 LED 光照信号时，它会随时准备在磁场作用下进入新的活动周期。



当暴露在旋转磁场中时，机器人呈弯曲状态，其嵌入骨架会对分子网络施加循环力并激活它的“腿”。旋转磁场具有可编程性，因此，研究人员可以按照自己的需要来导航机器人沿着预定的路径运动。



研究人员表示：“我们可以计算出它对光和磁场的响应效率。这使我们能够非常准确地预测和规划其行走轨迹。”

当机器人需要在液态环境下运输某样物体时，它可以通过行走或滚动的方式来拾取货物并将其送到目的地。到达目的地后，它要么通过倒立让货物轻轻地从自己身上上滑下来，要么开始“手舞足蹈”（可以称之为“断裂舞”）来移除一些难以自行掉落的物体。

高度通用性与多样化的用处

西北大学材料科学与生物医学工程教授 Samuel I. Stupp 说：“这种仿生物的新材料设计不仅响应速度更快，而且还能发挥出更复杂的功能。我们可以通过改变其形状、增加‘腿’的数量，让这些无生命的材料获得新的行走步态和更智能的行为。这意味着它们具备较高的可扩展性，能够适应不同的任务。”



研究人员将这种软体机器人放在装满水的水箱里进行试验，结果证明，这是一种可于液态环境中使用的理想机器人。研究人员还计划实现可定制的微型机器人运动，用来帮助催化各类化学反应，然后得到一些有价值的产物。



此外，该机器人也可以用作完成分子级别的任务，例如被设计成能够识别和主动去除特定环境中不需要的分子，或者使用它们的机械运动来精确地将生物治疗或特定细胞传递到指定的组织中。

Stupp 和 Olvera de la Cruz 还设想，这些软体机器人材料有可能被用于为许多应用创造原材料，包括化学生产、用于环境重要技术的新工具或用于高度先进医学的智能生物材料。



Stupp 说：“最终，我们希望制造能够以相互协作的方式完成复杂任务的微型机器人族群。我们可以对它们进行分子调整，使它们能够像自然界中的鸟类和细菌菌一样相互作用，或模仿海洋中的鱼群结伴前行。该材料具有高度的通用性，甚至可能实现很多想象之外的应用。”

资料来源：

https://robotics.sciencemag.org/content/5/49/eabb9822

https://news.northwestern.edu/stories/2020/12/aquatic-soft-robot-inspired-by-sea-creatures-walks-rolls-transports-cargo/&fj=1

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