DeepTech深科技 發表於 2020-12-25 10:15:02
會行走、能搬貨，還會 「跳街舞」。近日，美國西北大學發明出一款軟體機器人，該機器人看起來像一隻剝開的檸檬皮，它能在水箱中運動，並擁有多種本領，比如搬運物品、催化化學反應、輸送治療劑等，而它只需光場和磁場的驅動，便可實現上述功能。
DeepTech 聯繫到該研究論文的共同第一作者袁航，這位來自重慶的 26 歲小夥表示，他主要負責研究中的理論與模擬部分，其目前在西北大學 Olvera de la Cruz 實驗室做研究，正在讀應用物理專業 PhD 的第四年。 該研究論文於近日發表在 Science Robotics ，題目為 「Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields。研究主要由西北大學 Stupp 團隊、以及袁航所在的 Olvera de la Cruz 團隊完成。
袁航參與研究的這款機器人，外表酷似檸檬，但它身上 90% 的成分都由一種名為水凝膠的仿生材料構成。如大家所知，傳統機器人通常像個笨重的機器，上面有很多硬體和電子元件，因此它們無法和含人體在內的軟結構進行安全互動。 而合作團隊設計的 「檸檬片」 能在微小空間內、水下或地下執行任務。該機器人的外觀非常小，直徑約 1 釐米，只有大拇指指甲蓋那麼大，但它能以正常人相同的速度行走、拿起和搬運東西，從能力上看頗具生命屬性。
該研究的痛點是基於，當前軟體機器人具有很多優點，但它們的製造工藝相對簡單。而隨著 3D 列印的興起，更複雜、更便宜的軟體機器人材料有望誕生，而由於軟體機器人柔性較高，在狹窄工作環境中可發揮出獨有的優勢，因此業界一直盼望這類機器人可早日投入應用。 然而，目前所有軟體機器人均存在一個巨大問題，即為確保機器人的整體柔性，供能和控制部分通常需要外置。因此機器人在移動時，都會拖著管子或電線，這嚴重影響了機器人自身活動的 「自由性」。 而袁航所在團隊則巧妙地解決了上述問題，他們使用了輕盈的水凝膠材料，來作為機器人的外表。機器人內部包裹著鎳納米線支架，並含有特殊設計的聚合物分子，這種設計讓它能對外界磁場產生響應。在保持柔性的同時，它還可擺脫硬體、液壓或電池的束縛。 光和磁場的結合，讓機器人實現行走或滾動
袁航表示，機器人用的水凝膠材料具有雙重響應，它既能對光響應，也能對磁場響應。在水凝膠的基礎上，該團隊加入一種對光敏感的分子，這種分子一旦受到光的照射，就會從親水性變成疏水性， 這時水凝膠就會收縮、並把水排出去，機器人隨之就會產生光控制的彈性形變。 另一方面，袁航和團隊在合成材料時，把帶鐵磁性的納米線和水凝膠單分子放到一起，加上磁場後，就能把納米線排列起來，使得它們能沿特定方向排列。 同時，在合成水凝膠的過程中，納米線也會被固定到水凝膠裡面，這樣水凝膠不僅能對光產生效應，由於其內部的磁性納米線，也使得它能被外加磁場控制。
圖 | 水凝膠機器人在旋轉磁場下執行任務 當施加外磁場，水凝膠內部固定的磁性納米線就會向水凝膠施加應力，從而讓水凝膠產生形變，基於該原理就能控制機器人行走或者滾動。概括來說，這是基於磁場和彈性之間的一種耦合。 這種化學合成，除讓機器人實現行走和滾動之外，還能讓它通過狹窄通道和複雜路線。當暴露在 LED 光下時，機器人的分子會排斥水分並讓水分子逸出，其自身也會從平面十字形狀、變成站立姿勢，此時它的 「腿」 就像肌肉一樣緊繃。 由於機器人內嵌的鎳骨架具有鐵磁性，因此可通過磁場使機器人的腿部移動。為了驅動機器人，該團隊把外加磁場編程為特定的序列，這些序列能讓機器人沿著所需路徑運動，再加上精確的計算，就可讓機器人沿著預設的任意路徑進行運動。
圖 | 光觸發在旋轉磁場下行走 袁航說，此前機器人多數用 3D 列印，因此在材料合成時，磁場方向基本通過磁化就會固定下來，所以要改磁化方向就必須得加磁場。但是該團隊加入了光場，因此可通過光場來調控磁化方向，磁化方向一變，機器人對磁場的響應也會隨之改變。 據悉，在該團隊中的 Stupp 組於今年早些時候發表的一項研究中，機器人材料可以在幾分鐘內實現彎曲，並以每 12 小時一步的緩慢速度爬行。而現在的「檸檬片」可在磁場的響應下每秒邁出大約一步，可操控性更強，就像控制玩具車一樣。 一旦到達目的地，該機器人就可通過倒轉形狀來卸載貨物，或者用跳街舞一樣的旋轉動作來脫落和釋放較粘稠的物體。 此外，該軟體機器人還可通過分子設計，來識別並主動清除特定環境中不需要的顆粒，其運動速度也比此前誕生於同一實驗室的軟性機器人要快得多。
圖 | 水凝膠機器人響應納米線取向的行走模式 對於上述功能的實現，袁航告訴 DeepTech，在機器人進行轉向與軌跡設計實驗時，他遵循磁彈性的理論，搭建了數值計算模型，並基於機器人感光後的形狀與外加磁場強度，預測出了機器人相應的運動軌跡。 機器人在運動時，需要一個很好的數學模型，所以袁航先在模型中計算，需要怎樣的磁場來實現轉向。然後，他和團隊用在模型上計算出來的磁場，加載在實驗室的設備上面，最終發現了和模型預言相當吻合的行為。 可做藥物遞送和容器反應
袁航認為，未來的機器人版本可能更小，甚至可以達到微米級別，屆時就可在微觀層面上操作，比如用於在病人體內的定向輸送藥物，將生物治療劑或細胞精確地輸送到特定組織。 除遞送藥物之外，由於機器人中用的水凝膠具有親水性，所以它和一些生物組織非常接近，也就是具備一定軟度，因此可把它作為一種反應容器。比如要到達人體內一些不好到達的特殊位置，就可以讓機器人過去。 因為它和水有很好的兼容性，那就可以把一些化學分子擴散到機器人中來進行反應。而機器人在合成時，還可加入一些特定的靶向分子，這樣就能在機器人上面進行反應。
圖 | 旋轉磁場下的轉向運動和路徑 概括來說，該機器人是基於模仿生物的新材料設計，它不僅能實現更快的反應，還能實現更複雜的功能。除改變形狀之外，還可給其添加腿部，並給予它更多的行走步態和更智能的行為。屆時機器人就會具有高度的通用性，並能用於不同的任務。 理論上，該機器人還可以被編程為 「集群」 陳列，並去模仿自然界中鳥類、細菌群落或海洋魚群，擴大規模後它們能處理更多任務。例如，在傷口縫合時，可以設計上百萬個 微型機器人，讓它們執行類似於組織細胞、或組織細菌群的任務。 袁航表示，該機器人在對外界刺激產生的響應方面，依舊非常值得探索。此外，材料的幾何還很簡單，未來他們可能會設計出外觀更精巧的機器人。
此外，當機器人系統變得很小的時候，周圍環境的熱漲落、周圍流體的粘滯性，都是需要考慮的因素。故此，袁航和團隊還需基於目前材料，去產生新的驅動方案，屆時機器人有望實現更豐富的操控。 但無論如何，本次研究告別了此前機器人只能單一響應的局限性，是少有可實現既有光響應、又有磁場響應的機器人。 據袁航表示，他本科就讀於上海交通大學致遠學院物理班，該學院專注於基礎學科，這讓他受到了良好的訓練。 本科畢業後，他來到美國西北大學就讀應用物理專業 PhD。談及出國留學，袁航說他和當前導師在風格上比較適合，在對方指導下，他也有機會接觸到比較好的課題。 而在本次研究中，他主要負責理論與模擬部分。另一位共同第一作者李闖，是一位 85 後，博士畢業於清華大學，目前在西北大學 Stupp 組進行博士後研究工作，其主要負責材料部分和實驗部分。 對於該合作，袁航表示，本次研究屬於理論和實驗結合得比較好的例子，而這在科研中並不容易遇到。 -End-
原文標題：「檸檬皮」軟體機器人！26歲重慶小夥聯合發明光磁場機器人，可爬坡、可卸貨，有望用於體內藥物遞送｜專訪
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責任編輯：haq
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