軟機器人：利用內部產生的動力塑造自身并移動？

幾十年來，機器人提高了人類活動的效率。然而，通常，機器人由笨重的硬質材料形成，并且需要連接到外部電源; 這些功能限制了他們的靈活性和靈活性。但是，如果一種新材料允許開發一種“軟機器人”，可以重新配置自己的形狀并使用自己內部生成的動力進行移動呢?

通過開發新的計算模型，匹茲堡大學斯旺森工程學院的研究人員設計了一種合成聚合物凝膠，可利用內部產生的化學能進行變形和自持推進。他們的研究發表于4月30日，由Nature出版的“ 科學報告 ”雜志上發表。

作者是斯旺森學院化學與石油工程杰出教授和Robert vd Luft教授的Anna C. Balazs博士。和Olga Kuksenok，博士，研究副教授。

“運動是一種基本的生物行為，由最簡單的細胞呈現給人類。它允許有機體覓食或逃離掠食者。但合成材料通常不具備自發機械作用或儲存和使用的能力。他們自己的能量，導致定向運動的因素“巴拉茲博士說。“此外，在生物學中，定向運動涉及某種形狀的變化，例如肌肉的擴張和收縮。因此我們詢問我們是否可以在合成系統中模擬這些基本的互聯功能，以便它可以同時改變其形狀和移動。”

作為一個簡單的例子，Drs。Balazs和Kuksenok使用單細胞生物euglena mutabilis，它處理能量以擴展和收縮其形狀以便移動。為了模仿眼蟲的活動，Drs。Balazs和Kuksenok研究了含有spirobenzopyran(SP)的聚合物凝膠，因為這些材料可以使用光變形為不同的形狀，以及Belousov-Zhabotinsky(BZ)凝膠，這種材料在20世紀90年代末首次制造，不僅經歷周期性脈動，但也可以在光的存在下驅動。

“BZ凝膠包含內化化學反應，因此當您提供試劑時，這種凝膠可以進行自我持續運動，”Kuksenok博士解釋說。“雖然研究人員之前已經創造了具有SP和BZ功能的聚合物鏈，但這是他們第一次結合起來探索”SP-BZ“凝膠改變形狀和移動以響應光的能力。

正如Balazs和Kuksenok所指出的那樣，這些系統是獨特的，因為它們不僅經歷自彎曲或折疊，而且還具有自推進運動。即，該材料集成了每種組分的強大屬性 - SP功能化凝膠與光“模塑”的能力和BZ凝膠的自主機械作用。

根據Balazs博士的說法，他們的研究期間出現了意想不到的結果。“均勻的光線照射不起作用。我們必須將光線放在正確的位置以便凝膠移動。如果我們改變光線的模式，凝膠會顯示出翻滾運動。

“我們還發現，如果我們將SP放置在BZ凝膠的某些區域并將這種材料暴露在光線下，我們就可以創造出新型的自折疊行為。” 研究的下一階段是將凝膠中SP和BZ功能的圖案化與光的圖案化相結合，以擴展聚合物的運動曲目。

Balazs博士補充說，這些SP-BZ凝膠可以為微流體裝置創建小型軟機器人，有助于進行多階段化學反應。

“科學家們對設計具有耗散性的仿生系統感興趣 - 他們使用能量來執行功能，就像我們的新陳代謝使我們能夠執行不同的功能一樣，”她解釋道。“材料科學的下一個推動力是模仿合成材料中的這些內部代謝過程，從而創造出能夠吸收能量，轉化能量并自主完成工作的人造材料，就像在生物系統中一樣。”

使用聚合物凝膠代替金屬和合金來制造機器人的好處是它大大減少了質量，改善了其潛在的運動范圍，并允許更“優雅”的裝置。

“簡單地說，為了讓機器人能夠以更加仿生的方式更自主地移動，如果它柔軟而且柔軟，那就更好了，”Kuksenok博士說。“它具有抓取和攜帶物品的能力，不會受到非柔性，堅硬邊緣的阻礙。你也喜歡將其能量源加入到設計中，這樣它就不會帶來額外的行李.SP-BZ凝膠指向我們在那個方向。“