智能材料-人和機器更美好的未來

1.智能材料，也稱為響應材料，是具有一種或多種特性的合成材料，這些特性可以通過外部刺激發生改變，比如應力、溫度、濕度、pH、電場或磁場、光照或化學物質等。因為智能材料刺激響應的獨特性質，其已經成為許多應用的基礎，包括微創手術、柔性機器人、智能傳感器以及柔性電子等。結合智能材料研究的最新趨勢，未來的智能材料和功能結構設計將會顛覆現有的設計理念^[1]。智能材料將會更多的用于人體微創手術、體內藥物運輸、人機交互、生理信號傳感、人體康復等等，將在生物醫學工程領域大放異彩。智能材料將會推動社會科技的發展，用于改善人們的健康水平和生活質量。同時，基于智能材料的機器人將不僅僅是簡單的柔性機器人，未來的機器人可能會生長、再生，像變形金剛一樣去改變形狀去適應物理環境，并且還可以生物降解。未來機器人將不會是純粹的機械構成的，而是整合了生物工程和化學材料優勢的智能柔性機器人。人工智能將會應用于形變機器人的控制，超越現有的機器操控，實現更加優異的操控。總而言之，未來的智能材料會超越現有的材料，將有更好的生物相容性和更加豐富的功能，給予人和機器一個更美好的未來。

2.智能材料在生物醫學工程領域的應用

1）磁控智能材料用于微創手術

能夠以遠程操控方式導航的柔性材料在不同的領域，特別是在醫療應用領域有著巨大的前景。然而，現有的柔性機器人卻是由于傳統驅動固有的小型化挑戰，如充氣驅動或液壓驅動或嵌入剛性磁鐵，通常只能實現毫米或厘米尺度的機械結構。此外，傳統機器人在導航過程中所面臨的摩擦阻力是他們在醫學應用中面臨的另一個挑戰。麻省理工趙選賀團隊通過在柔性材料中規劃鐵磁結構域，同時在其表面修飾水凝膠皮膚，實現了一個亞毫米級、具有潤滑表面的、基于磁力驅動的全向轉向的導航機器人。機器人的身體大小只有幾百微米，而且水凝膠皮膚可以減少10倍以上的摩擦力。該團隊演示了機器人在復雜環境中，如伴有多個動脈瘤的腦血管中導航的能力，如圖1所示。由于它們細小的身體、獨立的驅動和直觀的操控，這個柔性機器人可能為以前難以觸及病灶的微創手術開辟新道路，從而幫助解決醫生在手術過程中遇到的挑戰。該研究以“Ferromagnetic soft continuum robots”發表在Science Robotics上^[2]。

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DOI: 10.1126/scirobotics.aax7329

圖1 磁控柔性智能材料在人體血管中導航示意圖

2）醫用雙面膠5 s實現牢固粘合

兩個干燥的表面通過分子間作用力（如氫鍵，靜電作用和范德華力等）一接觸就可以立即粘在一起。然而，這種瞬間粘附對于濕潤表面，如生理組織是具有挑戰性的，因為水分離了兩個表面的分子，抑制了分子間鍵的形成，從而阻止了黏附。雖然組織黏合劑有潛力優于手術縫合，然而現有的液體或水凝膠組織粘合劑存在幾個局限性：粘合力小、生物相容性低、過程緩慢等。因此，麻省理工趙選賀團隊提出了一種雙面膠，可以去除濕潤組織界面間的水分子而形成有力粘附。如圖2所示，雙面膠可用作生理組織粘合劑和密封膠，并用于可穿戴、可植入設備和生物組織的粘合。該研究以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices”發表在Nature上^[3]。?

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DOI: 10.1038/s41586-019-1710-5

圖2 雙面膠用于粘合人體組織

3）4D打印形狀記憶聚合物心臟封堵器

封堵器植入術是臨床上治療先天性心臟病的一種有效方法。然而，目前大多數商業臨床封堵器是由不可降解的金屬制成的，這可能會導致穿孔、過敏和糜爛等并發癥。在這項工作中，哈爾濱工業大學冷勁松團隊結合4D打印技術，提出一種新的、可個性化設計的、生物可降解的和遠程控制的形狀記憶聚合物封堵器。良好的細胞相容性和組織相容性有利于肉芽組織的細胞粘附和向內生長進入封堵器，從而促進快速內皮化。此外，個性化形狀記憶封堵器可以確保理想的配合，并為缺陷提供足夠的支持。因此，4d打印的形狀記憶聚合物封堵器有望成為金屬封堵器的潛在替代品。該研究以“4D-Printed Biodegradable and Remotely Controllable Shape Memory Occlusion Devices”發表在Advanced Functional Materials上^[4]。

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DOI: 10.1002/adfm.201906569

圖3 磁控形變材料用于治療先天性心臟病

3.基于智能材料的柔性機器人

1）全地形適應的軟體機器人

由具有外界刺激響應的軟材料組成的軟機器人有望完成傳統剛性機器人無法完成的任務。盡管在過去幾年取得了良好的進展，機器人在各種表面上的移動仍然具有挑戰性。武漢大學薛龍建團隊通過模擬壁虎剛毛的各向異性摩擦和毛毛蟲的步態，提出了一種具有良好的地形適應能力和大負荷承載能力的足部柔性機器人。這個機器人被稱為有足軟體機器人，如圖4所示，由仿生壁虎的三角形微柱作為足部，身體由帶狀的PDMS 和帶狀的石墨烯/PDMS復合材料交替排列組成。可以利用從紫外到紅外的全波段光進行遠程驅動有足軟體機器人，以毛蟲般的步態移動。這個機器人的腳可以在不同粗糙度、不同坡度和不同干燥程度的地形上單向移動，工作溫度范圍廣，還可以攜帶重量約為自身重量50倍的貨物。有足軟體機器人將為各種自然地形的軟體機器人設計提供靈感。該研究以“Bioinspired footed soft robot with unidirectional all-terrain mobility”發表在Materials Today上^[5]。

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DOI: 10.1016/j.mattod.2019.12.028

圖4 壁虎和毛毛蟲復合仿生機器人

2）基于電控液晶彈性體的獨立系統機器人

軟管驅動器在自然界和工程中有著廣泛的應用。很多智能材料被用來制備軟體驅動器，如氣動驅動器、介電彈性體、智能水凝膠等等。每一種驅動方式都有其局限性，包括制造過程復雜、控制電壓高或需要水環境等。因此加州大學圣迭戈分校的Shengqiang Cai團隊使用一種新興的人造材料:液晶彈性體，設計和制造軟管驅動器，可以很容易地編程應變模式。通過外部施加的電壓，管狀致動器可以實現多方向多自由度彎曲和均勻收縮變形。該團隊利用多個管狀驅動器，構造了一個獨立系統的機器人（如圖5所示）。該研究以“Electrically controlled liquid crystal elastomer–based soft tubular actuator with multimodal actuation”發表在Science Advances上^[6]。

文獻鏈接：

DOI: 10.1126/sciadv.aax5746

圖5基于液晶彈性體的四足機器人

3）?光驅動軟凝膠機器人

軟體水生無脊椎動物能夠在水下以不同的方式移動。由于難以實現精確的變形，以及現有的智能響應材料在水下的驅動效率低下。因此，通過小型軟體機器人再現這種多模態的水中運動是一個挑戰。解決這一挑戰并設計出有效的可以在水環境中無線操控的軟材料，將大大拓寬其在生物醫學設備中的應用潛力。德國斯圖加特馬普智能系統研究所的梅廷·西蒂(Metin Sitti)領導的研究人員使用具有固有光響應性和分子各向異性的整體液晶凝膠(LCGs)模擬海洋無脊椎動物常見的運動模式。通過選擇性光照引起的局部變形，實現了多種水下運動模式，如爬行、行走、跳躍和游泳。研究結果證明LCGs的物理力學特性在實現光驅動機器人的水下多種模式運動中的關鍵作用。如圖6所示，在光的脈沖作用下，一條細長的軟凝膠在水下活躍起來。該研究以“Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels”發表在PNAS上^[7]。

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DOI: 10.1073/pnas.1917952117

圖6 光驅動的軟凝膠機器人在水下運動

4.基于智能材料的傳感器

1）便攜式觸覺平臺

觸覺平臺可以重建觸覺體驗，是改善人機交互的必要條件。然而，目前，觸覺平臺主要有以下不足：可感知的觸覺有限或設備龐大。在細小的平臺上實現復雜的觸感設計和制造仍然是一個挑戰。為了克服力反饋機器人小型化的物理限制，洛桑工業技術學院的Jamie Paik教授團隊采用折紙原理實現了可攜帶的、精確的和可伸縮的傳感器。這個細小平臺上提供了三個自由度的力反饋。該團隊在實驗中利用該設備控制空中無人機、掠奪虛擬物體并感受虛擬環境下的人體解剖結構。該研究以“A portable three-degrees-of-freedom force feedback origami robot for human–robot interactions”發表在Nature Machine Intelligence 上^[8]。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s42256-019-0125-1

圖7具有三個自由度力學反饋的智能傳感器

2）全柔性磁電式振動傳感器

小型化和柔性化是磁電式振動傳感器發展的重要方向，然而具有特定磁極序列的柔性永磁體限制了全柔性磁電式傳感器的實現。天津大學的黃顯團隊研制了一種全柔性磁電式振動傳感器，將柔性振子置于由多層柔性線圈、環形柔性磁薄膜和彈性薄膜構成的結構中。該振動傳感器擁有廣泛的頻率響應，可以用于生物物理傳感、運動檢測、語音識別和機器診斷等。這一傳感器能夠承受重復的彎曲和變形，因此能夠安裝在皮膚和機器表面，還可以結合多種傳感和能量收集模式，實現無電池的持續使用，并可以大量部署，進行分布式傳感，用于機器狀態評估、健康監測和語音援助等。該研究以題為“Fully Flexible Electromagnetic Vibration Sensors with Annular Field Confinement Origami Magnetic Membranes”發表在Advanced Functional Materials上^[9]。

文獻鏈接：

DOI: 10.1002/adfm.202001553

圖8 全柔性磁電式振動傳感器示意圖

參考文獻：

[1] Y. Kim, G.A. Parada, S. Liu, X. Zhao, Ferromagnetic soft continuum robots, Science Robotics, 4 (2019) eaax7329.

[2] H. Yuk, C.E. Varela, C.S. Nabzdyk, X. Mao, R.F. Padera, E.T. Roche, X. Zhao, Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices, Nature, 575 (2019) 169-174.

[3] C. Lin, J. Lv, Y. Li, F. Zhang, J. Li, Y. Liu, L. Liu, J. Leng, 4D‐Printed Biodegradable and Remotely Controllable Shape Memory Occlusion Devices, Advanced Functional Materials, (2019) 1906569.

[4] X. Wang, B. Yang, D. Tan, Q. Li, B. Song, Z.-S. Wu, A. Del Campo, M. Kappl, Z. Wang, S.N. Gorb, S. Liu, L. Xue, Bioinspired footed soft robot with unidirectional all-terrain mobility, Materials Today, (2020).

[5] Q. He, Z. Wang, Y. Wang, A. Minori, M.T. Tolley, S. Cai, Electrically controlled liquid crystal elastomer–based soft tubular actuator with multimodal actuation, Science Advances, 5 (2019) eaax5746.

[6] H. Shahsavan, A. Aghakhani, H. Zeng, Y. Guo, Z.S. Davidson, A. Priimagi, M. Sitti, Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels, Proc Natl Acad Sci U S A, 117 (2020) 5125-5133.

[7] S. Mintchev, M. Salerno, A. Cherpillod, S. Scaduto, J. Paik, A portable three-degrees-of-freedom force feedback origami robot for human–robot interactions, Nature Machine Intelligence, 1 (2019) 584-593.

[8] Y. Zhao, S. Gao, X. Zhang, W. Huo, H. Xu, C. Chen, J. Li, K. Xu, X. Huang, Fully Flexible Electromagnetic Vibration Sensors with Annular Field Confinement Origami Magnetic Membranes, Advanced Functional Materials, (2020) 2001553.

[9] a.C.L. Barbara Mazzolai, A vision for future bioinspired and biohybrid robots, science Robotics, 5 (2020).

本文由Enzo供稿。

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