美國西北大學的研究人員首次研製出了一種仿生材料

2020-12-26 電子發燒友

美國西北大學的研究人員首次研製出了一種仿生材料

學術頭條 發表於 2020-12-23 10:01:55

說起機器人，你腦海中浮現的畫面是這樣的？ 

  抑或是構造更精巧的？  

  而現在，也許只需要一種幾釐米長的柔軟材料，你就能獲得一個「好動」的仿生軟體機器人。

近日，美國西北大學的研究人員首次研製出了一種仿生材料，其本身可以作為一種軟體機器人，它不僅能夠在液態環境中行動自如，完成拾取和運輸物體等任務；而且由從磁場和光碟機動，精確度和敏捷性都得到很大提升，其前進速度達到了每秒一步，這甚至與人類步伐速度相當！  

 

 

  這項題為「Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields"的研究，於12月9日在《科學機器人（Science Robotics）》雜誌上發表。 

（來源：Science Robotics）   研究人員表示，這類仿生軟體機器人很可能會被用作生產燃料和藥物、海洋環境清理或變革性醫療的「智能」微觀系統中。      

簡單點，再簡單點

一般來說，傳統的機器人都屬於重型機械，它們配有大量的硬體和電子設備，且無法與包括人類在內的軟體組織結構安全地交互。

而此次的軟體機器人，大小只有幾釐米長，內嵌有鎳制骨架使其能夠響應外部磁場。我們可以將其想像成帶有四條腿的章魚，且佔其總重量90%的都是水，它沒有任何複雜的硬體或是液壓、電力組件。

因此，該軟體機器人能夠不受體積限制，在水下或地下的微小空間中執行重要任務。

那麼構造如此簡單的仿生材料，是如何像機器人一樣行走甚至還能跳舞的呢？

首先，該軟體機器人移動的高精確度和敏捷性的關鍵在於其內部充滿水的結構和嵌入的鐵磁性排列的鎳制骨架。通過這種方式，我們可以將這種軟體機器人視為一個分子網絡（分子網絡指在生物系統中包含很多不同層面和不同組織形式的網絡）。

研究團隊使用化學合成法來編程該材料的分子以響應光照。當暴露在光下時，機器人的材料分子會變得疏水（排斥水），導致內部水分喪失，從而使材料的液體稠度達到一定標準，這樣才能響應磁場。這種轉換使機器人能夠繼續工作，並從原本的平面形態彎曲到「站立」狀態。  

圖 | 設計用於光和磁場耦合響應的水凝膠（來源：Science Robotics）   研究人員還發現，彎曲行為會使材料更加快速地響應旋轉磁場，激活其快速行走的能力。而當光線變弱時，分子恢復到原來的親水狀態，機器人也隨之恢復平面形態。但當接收到 LED 光照信號時，它會隨時準備在磁場作用下進入新的活動周期。

當暴露在旋轉磁場中時，機器人呈彎曲狀態，其嵌入骨架會對分子網絡施加循環力並激活它的「腿」。旋轉磁場具有可編程性，因此，研究人員可以按照自己的需要來導航機器人沿著預定的路徑運動。

研究人員表示：「我們可以計算出它對光和磁場的響應效率。這使我們能夠非常準確地預測和規劃其行走軌跡。」  

  當機器人需要在液態環境下運輸某樣物體時，它可以通過行走或滾動的方式來拾取貨物並將其送到目的地。到達目的地後，它要麼通過倒立讓貨物輕輕地從自己身上上滑下來，要麼開始「手舞足蹈」（可以稱之為「斷裂舞」）來移除一些難以自行掉落的物體。

高度通用性與多樣化的用處

西北大學材料科學與生物醫學工程教授 Samuel I. Stupp 說：「這種仿生物的新材料設計不僅響應速度更快，而且還能發揮出更複雜的功能。我們可以通過改變其形狀、增加『腿』的數量，讓這些無生命的材料獲得新的行走步態和更智能的行為。這意味著它們具備較高的可擴展性，能夠適應不同的任務。」

研究人員將這種軟體機器人放在裝滿水的水箱裡進行試驗，結果證明，這是一種可於液態環境中使用的理想機器人。研究人員還計劃實現可定製的微型機器人運動，用來幫助催化各類化學反應，然後得到一些有價值的產物。

此外，該機器人也可以用作完成分子級別的任務，例如被設計成能夠識別和主動去除特定環境中不需要的分子，或者使用它們的機械運動來精確地將生物治療或特定細胞傳遞到指定的組織中。  

 Stupp 和 Olvera de la Cruz 還設想，這些軟體機器人材料有可能被用於為許多應用創造原材料，包括化學生產、用於環境重要技術的新工具或用於高度先進醫學的智能生物材料。

Stupp 說：「最終，我們希望製造能夠以相互協作的方式完成複雜任務的微型機器人族群。我們可以對它們進行分子調整，使它們能夠像自然界中的鳥類和細菌菌一樣相互作用，或模仿海洋中的魚群結伴前行。該材料具有高度的通用性，甚至可能實現很多想像之外的應用。」

責任編輯：lq

 

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