杜学敏&吴新宇AFM：仿生自适应水凝胶微型机器人的变形、伪装和变色

【研究背景】

为了更好地适应复杂多变的环境，许多海洋生物进化出了独特的功能。受其优异的环境适应性启发，科研工作者们通过多种技术设计了尺寸从厘米到纳米尺度机器人，这些机器人可以由化学燃料、光、声场、电场和磁场等方式驱动。传统上，磁性微型机器人是由刚性材料组成，在磁场下通常只具有不超过5个运动自由度。最近，有多篇报导以弹性体或响应性聚合物为原料制备了多款软体机器人，展现出了优异的多模态运动，有望实现机器人的高机动性，因为软材料体系比刚性结构系统具有更高的自由度，但这类软体机器人与自然界中的智能生物相比，仍缺乏自适应功能。如何将类生物的复杂功能（如：多模态运动、可控变形、伪装、与外界环境的动态交互）耦合设计到一个软体机器人中仍具有巨大挑战。

【成果简介】

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控研究中心杜学敏研究员团队与智能仿生中心吴新宇研究员、徐天添副研究员团队合作，基于杜学敏研究团队在智能变形与变色材料的前期研究基础（Research, 2019, 2019, 6398296; Matter, 2019, 1, 626; Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801027; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 24748；Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120），研究团队通过仿生章鱼，创新性的将分段式结构设计与智能高分子材料结合：将磁响应汝铁硼颗粒仅设计在温敏性水凝胶的头部，作为驱动单元；将反蛋白石多孔结构设计在透明的温敏水凝胶的尾部，作为功能单元。通过实时调控磁场方向与频率，微型软体机器人展现出卓越的的爬行、摆动、滚动、螺旋性推进等多模态运动，能够精准地穿梭通过2 mm高的隧道，及450 μm宽的狭窄通道；与此同时，在遇到孔洞尺寸比机器人自身尺寸还小时，微型软体机器人在光热作用下甚至可以缩小至原身体尺寸的35%，进而自由穿过小于自身尺寸的狭窄空间；更有意思的是，由于水凝胶的高透明性，从而使得微型软体机器人在复杂环境里具有优异的光学伪装功能，而且当环境温度变化时，反蛋白石多孔结构的尾部还能通过颜色变化实时感知周边环境温度变化。该研究近日以题为“Reconfiguration, Camouflage, and Color-Shifting for Bioinspired Adaptive Hydrogel-Based Millirobots”发表在材料领域权威期刊Advanced Functional Materials (IF：15.6, Adv. Funct. Mater. 2020, 1909202)上，并入选为Frontispiece。

【图文导读】

图一、基于水凝胶的微型机器人（iRobot）的设计和功能示意图

（a）水凝胶薄膜的两步光聚合示意图。

（b）iRobot的磁化和多模态运动（例如爬行，摆动，滚动和螺旋推进）示意图。

（c）自适应功能示意图，例如iRobot的变形、伪装和变色。

图二、iRobot运动行为分析

（a）iRobot在x-z平面垂直振荡磁场下（≈10 mT，2.6 Hz）的爬行运动（侧视图）。

（b）iRobot在x-y平面水平振荡磁场下（≈10 mT，3.6 Hz）的左右摆动运动（俯视图）。

（c）iRobot在x-y平面旋转磁场下（≈10 mT，2.6 Hz）的滚动运动（侧视图）。

（d）iRobot在频率为6.1 Hz的锥形磁场（≈10 mT）下的螺旋推进运动（侧视图）。

（e-h）iRobot爬行、摆动、滚动和螺旋推进运动轨迹图。

图三、iRobot基于多模态运动跨越复杂地形

（a）iRobot滚动跨越阶梯（线性距离2.8厘米），以螺旋推进方式越过障碍物（高度：≈1.3厘米），最后降落并爬行离开。

（b）多模态运动三维路径图。

图四、iRobots的可控变形功能

（a）iRobot穿过低层隧道示意图。

（b）iRobot在室温下以平均速度0.83 mm s^-1爬过2 mm高的隧道。

（c）iRobot在狭窄通道中穿行示意图。

（d） iRobot摆动通过450 µm宽的通道，平均速度为0.18 mm s^-1。

（e）在近红外照射下，iRobot收缩身体尺寸通过尺寸小于其原始尺寸管道示意图。

（f）由于iRobot的尺寸（长度：≈6mm，宽度：≈4.0mm，高度：≈174µm）比内部宽度为3 mm的管大，因此它无法向前爬行。

（g）在808 nm波长的近红外照射下，iRobot的尺寸迅速缩小到其初始尺寸的35％。

（h）收缩尺寸的iRobot在24 s内爬过小型管。

图五、iRobot的伪装和变色

（a）尾部透明iRobot在沙地上的图片。

（b）一旦停止，iRobot快速将3D结构转换为2D，从而变得完全平坦，进而实现光学伪装。

（c）比较沙子和iRobot在沙子上的反射光谱。

（d）结构色iRobot的示意图，以及透明和红色之间的颜色变化机制。

（e）iRobot的反蛋白石结构和放大的扫描电子显微镜（SEM）图像。

（f）随着温度分别从36°C降至34°C，31°C和25°C，iRobot迅速将其颜色从蓝色变为绿色，红色和透明。

（g）随着温度从36降低到34、31和25℃，布拉格衍射红移。

【结论展望】

源于自然界中的多模态运动和自适应功能的灵感（例如章鱼、柳叶鳗幼体），作者设计了一种微型水凝胶微机器人，名为iRobot，它不仅具备优异的多模态运动，而且还具有变形、伪装等环境自适应功能，而且还能通过自身颜色变色感知环境变化。通过施加交变磁场，可以实现爬行、摆动、滚动和螺旋推进等可控多模态运动。此外，同一个iRobot可以通过外部磁场的快速交替定向来展示一系列可切换的运动模式，从而实现非凡的任务执行能力。该机器人还展示了出色的越障能力，例如螺旋推进越过障碍物，在较低的隧道内爬行，摆动通过狭窄的通道。此外，iRobot甚至可以通过近红外（NIR）光照收缩身体尺寸，使其通过一个比自身尺寸更小的窄管。值得强调的是，iRobot还具有非凡的功能，例如，水下的光学伪装，类似章鱼的喷“墨”释放，以及通过肉眼可见颜色变化感知不断变化的环境。这种仿生设计与智能材料的无缝结合，为下一代智能机器人的发展提供了一个普适而强大的策略，也将启发智能材料的发展。此外，这些受生物启发的智能机器人将有望在生物医学和环境领域等广泛应用。

文献链接：Reconfiguration, Camouflage, and Color‐Shifting for Bioinspired Adaptive Hydrogel‐Based Millirobots (Adv. Funct. Mater. 2020, 1909202)。

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本文由大兵哥供稿。

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