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浙大吴子良/南科大洪伟《自然·通讯》:让水凝胶软体机器人在开放空间全向爬行,中国机器人网,vrovro.com
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浙大吴子良/南科大洪伟《自然·通讯》:让水凝胶软体机器人在开放空间全向爬行
2020年10月16日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

还记得东京大学Aida课题组在2018年发表于Angew. Chemie.的蠕动机器人吗?像蚯蚓一样的水凝胶在光的照射下可以一节一节地拉长自己,在管道内实现蠕虫样的运动(《德国应化》仿蚯蚓定向蠕动爬行的各向异性水凝胶致动器)。

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但是除了蚯蚓以外,还有许许多多的昆虫不仅仅在地下管道内活动,它们还可以在地表的开放空间内通过身体的变形和控制和地面接触点间的摩擦力实现任意方向和速度的运动。尽管目前我们也开发出了各式各样的水凝胶软体机器人,但是想要让它们媲美自然界千万年进化的生物运动模式依然是一个挑战中国机器人网vrovro.com。目前的软体机器人并不能实现在地面开放空间内的全向、快速运动。

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近日,浙江大学郑强教授研究团队的吴子良研究员联合南方科技大学洪伟教授课题组,对如何同时通过软体机器人形状变化和摩擦力控制实现在开放地面的全向自由运动进行了深入研究。研究人员改进了钛酸盐纳米片(NS)/金纳米颗粒(AuNP)/聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)光/热制动器的合成方法,他们用高频交变电场替换了本来用于诱导NS取向的超强磁场,并引入掩膜辅助光固化技术来实现NS在水凝胶中不同区域内的取向定制化。此外,研究人员还分析了水凝胶在受热和常温状态下与疏水和亲水表面的摩擦力。通过结合形状变化和摩擦力控制,水凝胶机器人可以实现蠕动、爬行等多种运动模式,并可以根据光的运动方向、速率和运动表面的摩擦力做出前进、拐弯和后退等动作。上述研究以“Light-steered locomotion of muscle-like hydrogel by self-coordinated shape change and friction modulation”为题发表于Nature Communications。

1. 热响应NS/PNIPAAm的合成及其性质


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图 1 NS/PNIPAAm的合成方法、结构表征和热响应行为

NS/PNIPAAm的合成在特制的反应器中进行。首先将NS、NIPAAm和引发剂的前驱液混合均匀,并把其注入反应器中,并在溶液中插入相距2 cm的银电极。在施加50 V、10 kHz的交变电压一段时间后完成对NS的诱导取向,然后立即紫外光照射反应体系30 s引发聚合反应生成水凝胶(图1a)。相比于高强磁场诱导取向,交变电场诱导取向的操作更便捷、安全。

NS/PNIPAAm水凝胶具有力学、光学各向异性,并对外界刺激也具有各向异性响应。在//方向的杨氏模量是⊥方向的3倍。在浸泡于40 oC热水一小段时间后,⊥方向长度是原来的1.5倍,而//方向缩短为原来的0.8倍。若是大幅延长浸泡时间,水凝胶会失水收缩(图1f)。上述现象主要是由PNIPAAm的温敏特性引起。在环境温度高于PNIPAAm的LCST时,PNIPAAm会脱水,使得水凝胶中的游离水增多,引起介电常数升高,使得NS之间的静电斥力增强,因而在⊥方向上就会明显伸长。上述热响应行为具有较好的可重复性和稳定性(图1h)。不添加NS的PNIPAAm水凝胶无此现象。


2. 光响应、形变可控的NS/AuNP/PNIPAAm水凝胶的合成及其性质


为了赋予水凝胶光响应的特性,研究人员向NS/PNIPAAm体系中添加了AuNP,AuNP的添加并不会影响电场中NS的取向行为(图2a)。水凝胶中的AuNP在520 nm波长附近具有最大的光吸收率(图2b),并可在4.5 W/cm2的光照射下在3 s内使水凝胶局部温度升高至55 oC(图2c)。这一特性使得NS/AuNP/PNIPAAm水凝胶的形状变化可由光来控制(图2d、e)。


未固化的水凝胶前驱液中的NS可在电场作用下多次取向,利用这一特性,研究人员结合掩膜辅助的光固化工艺,通过NS取向-选择性固化-未固化区域NS再取向-固化的工艺流程实现了对不同区域NS取向的定制(图3a-d)。这种水凝胶在光作用下会产生内应力,因而可以在各种预定的形状间快速地来回切换(图3e-g)。


3. 软体机器人的多步态运动及其原理


研究人员首先在疏水的PVC基底上研究了蠕虫型机器人的蠕动行为。当水凝胶中的NS沿垂直于光斑移动方向取向时,机器人在光照射下会发生前后伸缩变化,使得机器人沿光斑移动方向前进;若是NS沿平行于光斑移动方向取向,则在光斑照射时水凝胶横向膨胀,使得机器人逆光斑方向前进(图4a、b)。

但是在亲水的玻璃基底上对NS沿垂直于光斑移动方向取向的水凝胶进行实验时,则观察不到上述前进运动,甚至会后退。这是由于在LCST之上时,水凝胶的亲水性会增强,这使得它和基底的摩擦系数增大,摩擦力增大,被光照射的点因此作为锚定点拉动尾部向前运动(图4d、e)。如果基底本身亲水性就很强,摩擦系数的变化幅度就会很小,锚定作用减小。


通过掩膜辅助选择性光固化工艺制备的条带结构水凝胶由于不同部分的各向异性溶胀行为本身就已具有一定的内应力,因而会形成微微弯曲的结构。在光的照射下,突然增大的内应力会使这一弯曲幅度会大大增加。通过光斑的单向移动,就能够利用这一现象实现类似尺蠖爬行的运动模式。被光照射的“足”部作为锚定点并弯曲,拉动其余部分向光斑运动的反方向运动,从而不断前进(图5a、b)。若是光斑运动方向与水凝胶长轴成一定角度,则能够实现水凝胶的转向(图5e、f)。上述结果证明了该软体机器人的全向运性。


结语

通过改进NS/AuNP/PNIPAAm水凝胶的制备工艺,研究人员实现了对NS取向结构的区域控制性。这一结构赋予了水凝胶足够的内应力,使其能够在光照射下在开放的表面实现快速的全向运动。对软体机器人运动的机理进行的深入研究也进一步揭示了蠕动、爬行的运动模式与表面摩擦力的关系。基于上述设计原理,若是能进一步缩小水凝胶的尺寸,或许我们可以制备出能在人体内活动的柔性机器人,实现精准医疗。



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