中科院最新成果！水凝膠軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)越野爬行，甚至可做“馬達(dá)”移動(dòng)重物！

大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

中科院寧波材科所的實(shí)驗(yàn)室里，這個(gè)小小的機(jī)器人正在“沙地”和“高山”上“翻山越嶺”。

別看人家爬得慢，它不僅能實(shí)現(xiàn)全地形越野多維運(yùn)動(dòng)，還能作為“馬達(dá)”搬運(yùn)比自己重很多的貨物！

不愧是“小小的身體，蘊(yùn)含巨大的能量”。

這個(gè)小機(jī)器人屬于軟體機(jī)器人的一種，是用水凝膠做的。作為可靈活配置的軟體機(jī)器人，它還能擁有其他身體形態(tài)，像這樣：

再仔細(xì)看看它的步法，有點(diǎn)像尺蠖在樹(shù)枝上爬行的樣子。

尺蠖可以用簡(jiǎn)單的身體彎曲和交替摩擦在粗糙的樹(shù)枝上爬行，詳細(xì)來(lái)說(shuō)，就是前腿先抓住樹(shù)枝，然后身體拱起彎曲時(shí)，后腿會(huì)同時(shí)向前并抓住樹(shù)枝，松開(kāi)前腿向前運(yùn)動(dòng)，再次彎曲身體，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)。

這種生物現(xiàn)象激發(fā)了很多軟體機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，但與生物相比，現(xiàn)有的軟體機(jī)器人仍然很難適應(yīng)復(fù)雜地形，或在二維或三維空間自由移動(dòng)，只能單向運(yùn)動(dòng)、或在單基質(zhì)表面運(yùn)動(dòng)。

為了解決軟體機(jī)器人單一運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，中科院寧波所的科研人員基于智能變形水凝膠制作了這款軟體機(jī)器人。

凝膠海綿上再生長(zhǎng)一層水凝膠

我們先簡(jiǎn)單介紹一下「智能變形水凝膠」：這是一種軟、濕態(tài)智能材料，能在外界刺激下（例如溫度、電、光照等）將自身化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)伴隨體積及形態(tài)的轉(zhuǎn)變。

然而，變形能力強(qiáng)不代表運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，如何進(jìn)一步把水凝膠這種原位的變形轉(zhuǎn)化為高效的運(yùn)動(dòng)？這是研究人員遇到的第一個(gè)挑戰(zhàn)。

科研人員使用冰模板的辦法，制備了具有超快溫度響應(yīng)的PNIPAm復(fù)合水凝膠，它可以分為兩部分，里面是一種凝膠“海綿”，外面包裹著一層水凝膠。

“海綿”顧名思義，具有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，能快速?gòu)呐囵B(yǎng)皿中吸收或排出水分，可在5秒內(nèi)收縮到自身體積的40%。

而外層的水凝膠是通過(guò)界面擴(kuò)散聚合(IDP)策略在“海綿”表面被動(dòng)生長(zhǎng)的，它能夠很牢固地固定在“海綿”上。這樣一來(lái)，復(fù)合水凝膠能夠快速響應(yīng)外部溫度變化，從而快速?gòu)澢冃巍?/span>

基于此，研究人員制作了雙層水凝膠致動(dòng)器。理論上說(shuō)，如果表層的凝膠越厚，輸出能量也會(huì)增大，但增加的厚度會(huì)影響驅(qū)動(dòng)性能，普通的凝膠變形策略正是如此: 通過(guò)減小自身厚度來(lái)加快響應(yīng)速度。

值得一提的是，PNIPAm復(fù)合水凝膠與普通水凝膠不同，即使該凝膠厚度增加到2mm,其驅(qū)動(dòng)速度也不會(huì)有較大損失。因此，在保證凝膠驅(qū)動(dòng)變形速度的同時(shí)，PNIPAm復(fù)合凝膠能具有更大的體積從而能將自身更多的化學(xué)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

接下來(lái)，為了使復(fù)合凝膠更好得變形可控，科研人員將Fe304納米顆粒引入外層的水凝膠中，在同樣強(qiáng)度的紅外線照射下，加了Fe304后可迅速升高到65°C，相比之下沒(méi)加的水凝膠僅是它的一半，35°C。

凝膠機(jī)器人的越野爬行

要制備會(huì)爬行的機(jī)器人，只會(huì)彎曲還不夠，需要更強(qiáng)的變形能力和自由度。

研究人員將制備好的雙層水凝膠切斷并重新排序組裝，這樣一來(lái)就擁有了更多的自由度和變形策略。

機(jī)器人爬行過(guò)程具體如下：

一束紅外光首先照射在機(jī)器人頭部，PNIPAm凝膠海綿感受到Fe3O4納米顆粒的發(fā)熱而迅速變形，并能與粗糙基底形成“卯榫結(jié)構(gòu)”，從而增大摩擦力。

隨后，紅外光逐步移向機(jī)器人中部，并不斷觸發(fā)身體的熱彎曲收縮，使得機(jī)器人整體收縮前進(jìn)。

當(dāng)紅外光移動(dòng)到機(jī)器人尾部時(shí)，對(duì)稱相反的結(jié)構(gòu)使得尾部凝膠向上彎曲從而抬起頭部，與基底的卯榫結(jié)構(gòu)打開(kāi)，解除錨定。

最后，移除紅外光，機(jī)器人頭部的凝膠會(huì)快速回復(fù)到初始狀態(tài)從而觸發(fā)下一次循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人持續(xù)地爬行過(guò)程；同時(shí)，在這種動(dòng)態(tài)的卯榫錨定模式下，機(jī)器人可以適應(yīng)多種粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上實(shí)現(xiàn)快速爬行。

得益于界面擴(kuò)散聚合(IDP)策略對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)的編程，只有兩只腳的機(jī)器人可進(jìn)一步仿生進(jìn)化出六只觸手！看起來(lái)像只小海星。

通過(guò)水凝膠觸手之間的互相配合，“小海星”能實(shí)現(xiàn)快速的二維爬行。并且通過(guò)觸手的程序化變形，“小海星”還可在爬行過(guò)程中不斷調(diào)整自身體積，從而適應(yīng)地形的變化，并成功穿越隘口，山谷以及山脊等一系列復(fù)雜地形。

還能做馬達(dá)移動(dòng)貨物

這項(xiàng)研究發(fā)表在頂尖期刊《Science》的合作期刊《Research》，研究成員來(lái)自中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)，第一作者兼通訊作者為陳濤研究員，并與浙江大學(xué)、之江實(shí)驗(yàn)室的鄭音飛教授合作。

論文標(biāo)題為“The Dynamic Mortise-and-Tenon Interlock Assists Hydrated Soft Robots Toward Off-Road Locomotion”。DOI: org/10.34133/research.0015

在論文的結(jié)尾，作者提到：PNIPAm凝膠海綿強(qiáng)大的機(jī)械能輸出能力，使其不僅能作為一個(gè)爬行機(jī)器人，還能作為“馬達(dá)電機(jī)”來(lái)移動(dòng)比自身大幾倍的貨物，在組裝多個(gè)水凝膠電機(jī)后，即使是靜止的貨物也可以被激活并爬行到二維粗糙基板上方或越過(guò)復(fù)雜的沙地。該策略有利于軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造，并可能引起可變形材料、貨物轉(zhuǎn)移和信號(hào)裝置等相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。

這項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3200071）、浙江省自然科學(xué)基金（LD22E050008，LD22A020002）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022C01002）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2019297）、浙江省醫(yī)****衛(wèi)生重點(diǎn)科技項(xiàng)目、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)科研基金（WKJ-ZJ-2009）和國(guó)家重大科研儀器開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（81827804）等項(xiàng)目的支持。

參考鏈接：https://imt.nimte.ac.cn/view-26241.html