浙大吳子良/南科大洪偉《自然·通訊》:讓水凝膠軟體機器人在開放...

還記得東京大學Aida課題組在2018年發表於Angew. Chemie.的蠕動機器人嗎？像蚯蚓一樣的水凝膠在光的照射下可以一節一節地拉長自己，在管道內實現蠕蟲樣的運動（《德國應化》仿蚯蚓定向蠕動爬行的各向異性水凝膠致動器）。

但是除了蚯蚓以外，還有許許多多的昆蟲不僅僅在地下管道內活動，它們還可以在地表的開放空間內通過身體的變形和控制和地面接觸點間的摩擦力實現任意方向和速度的運動。儘管目前我們也開發出了各式各樣的水凝膠軟體機器人，但是想要讓它們媲美自然界千萬年進化的生物運動模式依然是一個挑戰。目前的軟體機器人並不能實現在地面開放空間內的全向、快速運動。

近日，浙江大學鄭強教授研究團隊的吳子良研究員聯合南方科技大學洪偉教授課題組，對如何同時通過軟體機器人形狀變化和摩擦力控制實現在開放地面的全向自由運動進行了深入研究。研究人員改進了鈦酸鹽納米片（NS）/金納米顆粒（AuNP）/聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAAm）光/熱制動器的合成方法，他們用高頻交變電場替換了本來用於誘導NS取向的超強磁場，並引入掩膜輔助光固化技術來實現NS在水凝膠中不同區域內的取向定製化。此外，研究人員還分析了水凝膠在受熱和常溫狀態下與疏水和親水表面的摩擦力。通過結合形狀變化和摩擦力控制，水凝膠機器人可以實現蠕動、爬行等多種運動模式，並可以根據光的運動方向、速率和運動表面的摩擦力做出前進、拐彎和後退等動作。上述研究以「Light-steered locomotion of muscle-like hydrogel by self-coordinated shape change and friction modulation」為題發表於Nature Communications。

1. 熱響應NS/PNIPAAm的合成及其性質

圖 1 NS/PNIPAAm的合成方法、結構表徵和熱響應行為

NS/PNIPAAm的合成在特製的反應器中進行。首先將NS、NIPAAm和引發劑的前驅液混合均勻，並把其注入反應器中，並在溶液中插入相距2 cm的銀電極。在施加50 V、10 kHz的交變電壓一段時間後完成對NS的誘導取向，然後立即紫外光照射反應體系30 s引發聚合反應生成水凝膠（圖1a）。相比於高強磁場誘導取向，交變電場誘導取向的操作更便捷、安全。

NS/PNIPAAm水凝膠具有力學、光學各向異性，並對外界刺激也具有各向異性響應。在//方向的楊氏模量是⊥方向的3倍。在浸泡於40 oC熱水一小段時間後，⊥方向長度是原來的1.5倍，而//方向縮短為原來的0.8倍。若是大幅延長浸泡時間，水凝膠會失水收縮（圖1f）。上述現象主要是由PNIPAAm的溫敏特性引起。在環境溫度高於PNIPAAm的LCST時，PNIPAAm會脫水，使得水凝膠中的游離水增多，引起介電常數升高，使得NS之間的靜電斥力增強，因而在⊥方向上就會明顯伸長。上述熱響應行為具有較好的可重複性和穩定性（圖1h）。不添加NS的PNIPAAm水凝膠無此現象。

2. 光響應、形變可控的NS/AuNP/PNIPAAm水凝膠的合成及其性質

圖 2 NS/AuNP/PNIPAAm的合成方法及其光響應行為

為了賦予水凝膠光響應的特性，研究人員向NS/PNIPAAm體系中添加了AuNP，AuNP的添加並不會影響電場中NS的取向行為（圖2a）。水凝膠中的AuNP在520 nm波長附近具有最大的光吸收率（圖2b），並可在4.5 W/cm2的光照射下在3 s內使水凝膠局部溫度升高至55 oC（圖2c）。這一特性使得NS/AuNP/PNIPAAm水凝膠的形狀變化可由光來控制（圖2d、e）。

圖 3 通過掩膜輔助光固化技術定製水凝膠不同區域NS的取向

未固化的水凝膠前驅液中的NS可在電場作用下多次取向，利用這一特性，研究人員結合掩膜輔助的光固化工藝，通過NS取向-選擇性固化-未固化區域NS再取向-固化的工藝流程實現了對不同區域NS取向的定製（圖3a-d）。這種水凝膠在光作用下會產生內應力，因而可以在各種預定的形狀間快速地來回切換（圖3e-g）。

3. 軟體機器人的多步態運動及其原理

圖 4 蠕蟲型機器人的蠕動行為

研究人員首先在疏水的PVC基底上研究了蠕蟲型機器人的蠕動行為。當水凝膠中的NS沿垂直於光斑移動方向取向時，機器人在光照射下會發生前後伸縮變化，使得機器人沿光斑移動方向前進；若是NS沿平行於光斑移動方向取向，則在光斑照射時水凝膠橫向膨脹，使得機器人逆光斑方向前進（圖4a、b）。

但是在親水的玻璃基底上對NS沿垂直於光斑移動方向取向的水凝膠進行實驗時，則觀察不到上述前進運動，甚至會後退。這是由於在LCST之上時，水凝膠的親水性會增強，這使得它和基底的摩擦係數增大，摩擦力增大，被光照射的點因此作為錨定點拉動尾部向前運動（圖4d、e）。如果基底本身親水性就很強，摩擦係數的變化幅度就會很小，錨定作用減小。

通過掩膜輔助選擇性光固化工藝製備的條帶結構水凝膠由於不同部分的各向異性溶脹行為本身就已具有一定的內應力，因而會形成微微彎曲的結構。在光的照射下，突然增大的內應力會使這一彎曲幅度會大大增加。通過光斑的單向移動，就能夠利用這一現象實現類似尺蠖爬行的運動模式。被光照射的「足」部作為錨定點並彎曲，拉動其餘部分向光斑運動的反方向運動，從而不斷前進（圖5a、b）。若是光斑運動方向與水凝膠長軸成一定角度，則能夠實現水凝膠的轉向（圖5e、f）。上述結果證明了該軟體機器人的全向運性。

圖 5 尺蠖型機器人的爬行行為

結語

通過改進NS/AuNP/PNIPAAm水凝膠的製備工藝，研究人員實現了對NS取向結構的區域控制性。這一結構賦予了水凝膠足夠的內應力，使其能夠在光照射下在開放的表面實現快速的全向運動。對軟體機器人運動的機理進行的深入研究也進一步揭示了蠕動、爬行的運動模式與表面摩擦力的關係。基於上述設計原理，若是能進一步縮小水凝膠的尺寸，或許我們可以製備出能在人體內活動的柔性機器人，實現精準醫療。

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來源：高分子科學前沿

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