杜學敏&吳新宇AFM：仿生自適應水凝膠微型機器人的變形、偽裝和變色

【研究背景】

為了更好地適應復雜多變的環境，許多海洋生物進化出了獨特的功能。受其優異的環境適應性啟發，科研工作者們通過多種技術設計了尺寸從厘米到納米尺度機器人，這些機器人可以由化學燃料、光、聲場、電場和磁場等方式驅動。傳統上，磁性微型機器人是由剛性材料組成，在磁場下通常只具有不超過5個運動自由度。最近，有多篇報導以彈性體或響應性聚合物為原料制備了多款軟體機器人，展現出了優異的多模態運動，有望實現機器人的高機動性，因為軟材料體系比剛性結構系統具有更高的自由度，但這類軟體機器人與自然界中的智能生物相比，仍缺乏自適應功能。如何將類生物的復雜功能（如：多模態運動、可控變形、偽裝、與外界環境的動態交互）耦合設計到一個軟體機器人中仍具有巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所納米調控研究中心杜學敏研究員團隊與智能仿生中心吳新宇研究員、徐天添副研究員團隊合作，基于杜學敏研究團隊在智能變形與變色材料的前期研究基礎（Research, 2019, 2019, 6398296; Matter, 2019, 1, 626; Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801027; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 24748；Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120），研究團隊通過仿生章魚，創新性的將分段式結構設計與智能高分子材料結合：將磁響應汝鐵硼顆粒僅設計在溫敏性水凝膠的頭部，作為驅動單元；將反蛋白石多孔結構設計在透明的溫敏水凝膠的尾部，作為功能單元。通過實時調控磁場方向與頻率，微型軟體機器人展現出卓越的的爬行、擺動、滾動、螺旋性推進等多模態運動，能夠精準地穿梭通過2 mm高的隧道，及450 μm寬的狹窄通道；與此同時，在遇到孔洞尺寸比機器人自身尺寸還小時，微型軟體機器人在光熱作用下甚至可以縮小至原身體尺寸的35%，進而自由穿過小于自身尺寸的狹窄空間；更有意思的是，由于水凝膠的高透明性，從而使得微型軟體機器人在復雜環境里具有優異的光學偽裝功能，而且當環境溫度變化時，反蛋白石多孔結構的尾部還能通過顏色變化實時感知周邊環境溫度變化。該研究近日以題為“Reconfiguration, Camouflage, and Color-Shifting for Bioinspired Adaptive Hydrogel-Based Millirobots”發表在材料領域權威期刊Advanced Functional Materials (IF：15.6, Adv. Funct. Mater. 2020, 1909202)上，并入選為Frontispiece。

【圖文導讀】

圖一、基于水凝膠的微型機器人（iRobot）的設計和功能示意圖

（a）水凝膠薄膜的兩步光聚合示意圖。

（b）iRobot的磁化和多模態運動（例如爬行，擺動，滾動和螺旋推進）示意圖。

（c）自適應功能示意圖，例如iRobot的變形、偽裝和變色。

圖二、iRobot運動行為分析

（a）iRobot在x-z平面垂直振蕩磁場下（≈10 mT，2.6 Hz）的爬行運動（側視圖）。

（b）iRobot在x-y平面水平振蕩磁場下（≈10 mT，3.6 Hz）的左右擺動運動（俯視圖）。

（c）iRobot在x-y平面旋轉磁場下（≈10 mT，2.6 Hz）的滾動運動（側視圖）。

（d）iRobot在頻率為6.1 Hz的錐形磁場（≈10 mT）下的螺旋推進運動（側視圖）。

（e-h）iRobot爬行、擺動、滾動和螺旋推進運動軌跡圖。

圖三、iRobot基于多模態運動跨越復雜地形

（a）iRobot滾動跨越階梯（線性距離2.8厘米），以螺旋推進方式越過障礙物（高度：≈1.3厘米），最后降落并爬行離開。

（b）多模態運動三維路徑圖。

圖四、iRobots的可控變形功能

（a）iRobot穿過低層隧道示意圖。

（b）iRobot在室溫下以平均速度0.83 mm s^-1爬過2 mm高的隧道。

（c）iRobot在狹窄通道中穿行示意圖。

（d） iRobot擺動通過450 μm寬的通道，平均速度為0.18 mm s^-1。

（e）在近紅外照射下，iRobot收縮身體尺寸通過尺寸小于其原始尺寸管道示意圖。

（f）由于iRobot的尺寸（長度：≈6mm，寬度：≈4.0mm，高度：≈174μm）比內部寬度為3 mm的管大，因此它無法向前爬行。

（g）在808 nm波長的近紅外照射下，iRobot的尺寸迅速縮小到其初始尺寸的35％。

（h）收縮尺寸的iRobot在24 s內爬過小型管。

圖五、iRobot的偽裝和變色

（a）尾部透明iRobot在沙地上的圖片。

（b）一旦停止，iRobot快速將3D結構轉換為2D，從而變得完全平坦，進而實現光學偽裝。

（c）比較沙子和iRobot在沙子上的反射光譜。

（d）結構色iRobot的示意圖，以及透明和紅色之間的顏色變化機制。

（e）iRobot的反蛋白石結構和放大的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

（f）隨著溫度分別從36°C降至34°C，31°C和25°C，iRobot迅速將其顏色從藍色變為綠色，紅色和透明。

（g）隨著溫度從36降低到34、31和25℃，布拉格衍射紅移。

【結論展望】

源于自然界中的多模態運動和自適應功能的靈感（例如章魚、柳葉鰻幼體），作者設計了一種微型水凝膠微機器人，名為iRobot，它不僅具備優異的多模態運動，而且還具有變形、偽裝等環境自適應功能，而且還能通過自身顏色變色感知環境變化。通過施加交變磁場，可以實現爬行、擺動、滾動和螺旋推進等可控多模態運動。此外，同一個iRobot可以通過外部磁場的快速交替定向來展示一系列可切換的運動模式，從而實現非凡的任務執行能力。該機器人還展示了出色的越障能力，例如螺旋推進越過障礙物，在較低的隧道內爬行，擺動通過狹窄的通道。此外，iRobot甚至可以通過近紅外（NIR）光照收縮身體尺寸，使其通過一個比自身尺寸更小的窄管。值得強調的是，iRobot還具有非凡的功能，例如，水下的光學偽裝，類似章魚的噴“墨”釋放，以及通過肉眼可見顏色變化感知不斷變化的環境。這種仿生設計與智能材料的無縫結合，為下一代智能機器人的發展提供了一個普適而強大的策略，也將啟發智能材料的發展。此外，這些受生物啟發的智能機器人將有望在生物醫學和環境領域等廣泛應用。

文獻鏈接：Reconfiguration, Camouflage, and Color‐Shifting for Bioinspired Adaptive Hydrogel‐Based Millirobots (Adv. Funct. Mater. 2020, 1909202)。

杜學敏研究員團隊長期招聘智能高分子、生物材料、柔性電子、MEMS、傳感器與驅動器等方向研究員、博士后、學生，歡迎投簡歷至xm.du@siat.ac.cn。

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu