【導(dǎo)讀】  

把可逆熱響應(yīng)水凝膠用作墨水、直接3D書(shū)寫出的柔性機(jī)器人，大家見(jiàn)過(guò)嗎？不僅如此，這種可大規(guī)模、低成本打印出的水凝膠機(jī)器人可以無(wú)拘無(wú)束的獨(dú)立活動(dòng)，無(wú)需任何導(dǎo)線的栓系，無(wú)需外部沉重磁鐵的感應(yīng)，更沒(méi)有電池的負(fù)荷以及對(duì)其運(yùn)動(dòng)平衡性的干擾。基于水凝膠自身收縮膨脹的特性，此機(jī)器人將環(huán)境溫度變化作為驅(qū)動(dòng)力，來(lái)進(jìn)一步調(diào)控水凝膠的形狀尺寸，從而實(shí)現(xiàn)靈活穩(wěn)健的運(yùn)動(dòng)。該熱驅(qū)動(dòng)水凝膠機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如藥物輸運(yùn)和微創(chuàng)設(shè)備。

【成果掠影】

近日，來(lái)自約翰斯·霍普金斯大學(xué)的David Gracias教授實(shí)現(xiàn)了由溫度驅(qū)動(dòng)爬行的柔性水凝膠機(jī)器人。該驅(qū)動(dòng)器由熱響應(yīng)水凝膠NIPAM作為主動(dòng)層，丙烯酰胺為被動(dòng)層；在溫度變化時(shí)，收縮或拉伸的水凝膠與無(wú)響應(yīng)的丙烯酰胺產(chǎn)生不對(duì)稱形變進(jìn)而彎曲運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人由前后兩部分厚度不同的上述雙層驅(qū)動(dòng)器組成，在熱源控制下，兩驅(qū)動(dòng)器的彎曲曲率不同，這種運(yùn)動(dòng)學(xué)的相位差最終實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)器人的像尺蠖一樣的波狀運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

相關(guān)研究文章以“Untethered unidirectionally crawling gels driven by asymmetry in contact forces”為題發(fā)表于Science Robotics。

【核心創(chuàng)新點(diǎn)】

1、將所用的水凝膠等材料作為墨水，采用直接墨水書(shū)寫技術(shù)直接打印組裝出柔性驅(qū)動(dòng)器件；

2、兩段式仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了柔性機(jī)器人在單一刺激下的尺蠖型蠕動(dòng)；

3、采用有限元分析的方法仿真了水凝膠的熱響應(yīng)驅(qū)動(dòng)和兩段式柔性機(jī)器人的爬行機(jī)制。

【數(shù)據(jù)概覽】

圖1 帶有懸浮連接器的雙段凝膠機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造：兩段式柔性機(jī)器人由3D打印制備，其結(jié)構(gòu)為由懸浮連接器連接兩驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成（圖A）。驅(qū)動(dòng)器以NIPAM和AAM為墨水打印，兩個(gè)厚度比不同的NIPAM和AAM雙層驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)（圖B）© 2022 AAAS

圖2 調(diào)整驅(qū)動(dòng)材料的各層厚度分析驅(qū)動(dòng)形變曲率和響應(yīng)時(shí)間 © 2022 AAAS

圖3 柔性機(jī)器人的設(shè)計(jì)與步長(zhǎng)研究：多段式機(jī)器人的不同剛度和厚度材料的連接器、驅(qū)動(dòng)器片段數(shù)量和布局得到進(jìn)一步調(diào)控以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健靈活的運(yùn)動(dòng) © 2022 AAAS

【成果啟示】

該成果展示了新型熱響應(yīng)水凝膠機(jī)器人的制備以及爬行機(jī)制設(shè)計(jì)。柔性機(jī)器人的蠕動(dòng)是受尺蠖等軟體動(dòng)物的啟發(fā)，變化的溫度刺激了水凝膠驅(qū)動(dòng)器的膨脹和收縮形變，遠(yuǎn)程控制的熱源賦予了柔性機(jī)器人無(wú)拴系的自由運(yùn)動(dòng)。在未來(lái)，局部加熱和冷卻模式可集中于機(jī)器人內(nèi)部，以促進(jìn)在不受環(huán)境溫度影響的小型水空間中進(jìn)行可編程或自主操作。