光磁場驅動的可編程水凝膠軟機器人

2020-12-24 3xmaker合越智能

光磁場驅動的可編程水凝膠軟機器人

美國西北大學的研究人員已經開發出了首個類似於生命的材料，可以充當軟機器人。它可以以人類的速度行走，撿起並將貨物運輸到新的位置，爬上山坡，甚至還可以跳霹靂舞來釋放顆粒。

釐米大小的機器人按重量計將近90％的水，無需複雜的硬體，液壓或電力即可移動。取而代之的是，它被光激活並沿外部旋轉磁場的方向行進。這項研究將於12月9日發表在《Science Robotics》雜誌上("Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields," Science Robotics (2020). )。

用光彎曲混合水凝膠導致機器人行走。

該機器人類似於四足章魚，在充滿水的水箱內運行，非常適合在水生環境中使用。研究人員想像定製微型機器人的運動以幫助催化不同的化學反應，然後抽出有價值的產品。機器人還可以進行分子設計，以識別並主動去除特定環境中不需要的顆粒，或者利用它們的機械運動和運動將生物治療劑或細胞精確地遞送至特定組織。

"傳統的機器人通常是具有大量硬體和電子設備的重型機器，它們無法與包括人類在內的軟結構進行安全交互，"領導這項實驗研究的塞繆爾·斯圖普說。"我們設計了具有分子智能的軟材料，使它們能夠像任何大小的機器人一樣工作，並在水下或地下的狹小空間中發揮有用的功能。"

"通過將步行和轉向運動結合在一起，我們可以對特定的磁場序列進行編程，從而可以使機器人進行遠程操作，並使其遵循平坦或傾斜表面上的路徑，"領導理論工作的莫妮卡·奧爾維拉·德拉克魯茲（Monica Olvera de la Cruz）補充道。"這種可編程功能使我們能夠通過複雜的路線引導機器人穿過狹窄的通道。"

Stupp是西北大學材料科學與工程，化學，醫學與生物醫學工程專業的董事會教授。他曾在麥考密克工程學院，溫伯格藝術與科學學院和範伯格醫學學院任職。奧爾維拉·德拉克魯茲（Olvera de la Cruz）是麥考密克材料科學與工程，化學與化學與生物工程專業的律師泰勒教授。

Stupp和Olvera de la Cruz分別是美國能源部資助的西北能源前沿研究中心生物啟發能源科學中心的主任和副主任。

新進展

該研究建立在Stupp先前的工作基礎上，以設計模仿活海生物的"機器人軟物質"。在今年早些時候發表的之前的研究中，機器人材料可能會在數分鐘的時間範圍內彎曲，並且每12小時邁出一步就可以在表面爬行。現在，當前的突破使機器人能夠以人類的速度（大約每秒一步）行走，並且能夠對磁場進行響應，從而使這些材料遵循特定的軌跡。

機器人進行旋轉的"霹靂舞"以釋放粒子"貨物"。

通過耦合對光和磁場的響應，研究人員設計了一種機器人，該機器人還可以拾取貨物，並通過步行或滾動將其運送到目的地。然後，通過顛倒其形狀（允許平滑的有效載荷將其輕輕滑出機器人）或執行旋轉的"霹靂舞"以移動並釋放粘性物體，將貨物放置在新位置。

斯託普說："模仿生物的新材料的設計不僅可以加快響應速度，而且還可以執行更複雜的功能。" "我們可以改變形狀並為合成生物增加腿部，並賦予這些無生命的材料新的步行步態和更聰明的行為。這使它們具有高度的通用性，並可以滿足不同的任務。"

機器人運作原理

機器人精確運動和敏捷性的秘訣在於其充滿水的結構以及鐵磁性對齊鎳絲的嵌入式骨架。柔軟的組件是一個分子設計的網絡，其各個部分可以使其對光做出反應，在其內部保持或排出水，並具有適當的剛度以快速響應磁場。

美國西北研究小組使用化學合成方法對水凝膠中的分子進行編程，以對光做出反應。當暴露在光線下時，機器人的分子變成疏水性（排斥水），導致水分子逸出。通過這種轉換，機器人可以通過從平坦位置彎曲到"站立"來"活躍起來"。研究人員發現，這種彎曲使材料能夠快速響應旋轉的磁場，從而激活其快速行走的能力。當燈熄滅時，分子會恢復為原始狀態，並且機器人會變平，但是當LED提示時，它隨時準備在磁場下進行新的活動周期。

混合水凝膠步行機器人的較小版本的視頻。將水凝膠減少到毫米大小的規模並沒有改變運動的機制。

當暴露於旋轉磁場時，彎曲機器人中的嵌入式骨架會在軟分子網絡上施加循環力並激活腿部。可以對旋轉場進行編程，以沿預定路徑導航機器人。

"使用理論和計算，我們可以計算出對光和磁場的響應，"奧爾維拉·德拉克魯茲說。"這使我們能夠非常準確地預測和編程行走軌跡。"

未來的應用

Stupp和Olvera de la Cruz認為這些柔軟的機器人材料可能會被用於創建許多應用程式的對象，包括化學生產，對環境重要技術的新工具或作為高度先進醫學的智能生物材料。

"最終，我們希望製造出能夠以協調的方式執行複雜任務的微型機器人大軍。" "我們可以在分子上進行調整，使它們彼此相互作用，以模仿自然界或海洋魚類群中的鳥類和細菌。該平臺的分子多功能性可能會導致目前尚未想到的應用。"

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