自由爬行的水凝膠機器人

自由爬行的水凝膠機器人

顧逸銘

一、【導讀】

把可逆熱響應水凝膠用作墨水、直接3D書寫出的柔性機器人，大家見過嗎？不僅如此，這種可大規模、低成本打印出的水凝膠機器人可以無拘無束的獨立活動，無需任何導線的栓系，無需外部沉重磁鐵的感應，更沒有電池的負荷以及對其運動平衡性的干擾。基于水凝膠自身收縮膨脹的特性，此機器人將環境溫度變化作為驅動力，來進一步調控水凝膠的形狀尺寸，從而實現靈活穩健的運動。該熱驅動水凝膠機器人有望實現在醫學領域的應用，如藥物輸運和微創設備。

二、【成果掠影】

近日，來自約翰斯·霍普金斯大學的David Gracias教授實現了由溫度驅動爬行的柔性水凝膠機器人。該驅動器由熱響應水凝膠NIPAM作為主動層，丙烯酰胺為被動層；在溫度變化時，收縮或拉伸的水凝膠與無響應的丙烯酰胺產生不對稱形變進而彎曲運動。機器人由前后兩部分厚度不同的上述雙層驅動器組成，在熱源控制下，兩驅動器的彎曲曲率不同，這種運動學的相位差最終實現柔性機器人的像尺蠖一樣的波狀運動步態。

相關研究文章以“Untethered unidirectionally crawling gels driven by asymmetry in contact forces”為題發表于Science Robotics。

三、【核心創新點】

1. 將所用的水凝膠等材料作為墨水，采用直接墨水書寫技術直接打印組裝出柔性驅動器件；
2. 兩段式仿生機器人的設計實現了柔性機器人在單一刺激下的尺蠖型蠕動；
3. 采用有限元分析的方法仿真了水凝膠的熱響應驅動和兩段式柔性機器人的爬行機制；

四、【數據概覽】

圖1 帶有懸浮連接器的雙段凝膠機器人的設計與制造：兩段式柔性機器人由3D打印制備，其結構為由懸浮連接器連接兩驅動器構成（圖A）。驅動器以NIPAM和AAM為墨水打印，兩個厚度比不同的NIPAM和AAM雙層驅動器由單材料連接器連接，連接器的懸空可由溶解犧牲層Laponite實現（圖B）? 2022 AAAS

圖2 調整驅動材料的各層厚度分析驅動形變曲率和響應時間 ? 2022 AAAS

圖3 柔性機器人的設計與步長研究：多段式機器人的不同剛度和厚度材料的連接器、驅動器片段數量和布局得到進一步調控以實現穩健靈活的運動 ? 2022 AAAS

五、【成果啟示】

該成果展示了新型熱響應水凝膠機器人的制備以及爬行機制設計。柔性機器人的蠕動是受尺蠖等軟體動物的啟發，變化的溫度刺激了水凝膠驅動器的膨脹和收縮形變，遠程控制的熱源賦予了柔性機器人無拴系的自由運動。在未來，局部加熱和冷卻模式可集中于機器人內部，以促進在不受環境溫度影響的小型水空間中進行可編程或自主操作。

原文詳情：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.add2903#F1

本文由顧逸銘供稿。