會行走、能搬貨，還會 “跳街舞”。近日，美國西北大學(xué)發(fā)明出一款軟體機(jī)器人，該機(jī)器人看起來像一只剝開的檸檬皮，它能在水箱中運(yùn)動，并擁有多種本領(lǐng)，比如搬運(yùn)物品、催化化學(xué)反應(yīng)、輸送治療劑等，而它只需光場和磁場的驅(qū)動，便可實現(xiàn)上述功能。

DeepTech 聯(lián)系到該研究論文的共同第一作者袁航，這位來自重慶的 26 歲小伙表示，他主要負(fù)責(zé)研究中的理論與模擬部分，其目前在西北大學(xué) Olvera de la Cruz 實驗室做研究，正在讀應(yīng)用物理專業(yè) PhD 的第四年。 該研究論文于近日發(fā)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(xué) Stupp 團(tuán)隊、以及袁航所在的 Olvera de la Cruz 團(tuán)隊完成。

袁航參與研究的這款機(jī)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(gòu)成。如大家所知，傳統(tǒng)機(jī)器人通常像個笨重的機(jī)器，上面有很多硬件和電子元件，因此它們無法和含人體在內(nèi)的軟結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全互動。 而合作團(tuán)隊設(shè)計的 “檸檬片” 能在微小空間內(nèi)、水下或地下執(zhí)行任務(wù)。該機(jī)器人的外觀非常小，直徑約 1 厘米，只有大拇指指甲蓋那么大，但它能以正常人相同的速度行走、拿起和搬運(yùn)東西，從能力上看頗具生命屬性。

該研究的痛點是基于，當(dāng)前軟體機(jī)器人具有很多優(yōu)點，但它們的制造工藝相對簡單。而隨著 3D 打印的興起，更復(fù)雜、更便宜的軟體機(jī)器人材料有望誕生，而由于軟體機(jī)器人柔性較高，在狹窄工作環(huán)境中可發(fā)揮出獨有的優(yōu)勢，因此業(yè)界一直盼望這類機(jī)器人可早日投入應(yīng)用。 然而，目前所有軟體機(jī)器人均存在一個巨大問題，即為確保機(jī)器人的整體柔性，供能和控制部分通常需要外置。因此機(jī)器人在移動時，都會拖著管子或電線，這嚴(yán)重影響了機(jī)器人自身活動的 “自由性”。 而袁航所在團(tuán)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(jī)器人的外表。機(jī)器人內(nèi)部包裹著鎳納米線支架，并含有特殊設(shè)計的聚合物分子，這種設(shè)計讓它能對外界磁場產(chǎn)生響應(yīng)。在保持柔性的同時，它還可擺脫硬件、液壓或電池的束縛。光和磁場的結(jié)合，讓機(jī)器人實現(xiàn)行走或滾動

袁航表示，機(jī)器人用的水凝膠材料具有雙重響應(yīng)，它既能對光響應(yīng)，也能對磁場響應(yīng)。在水凝膠的基礎(chǔ)上，該團(tuán)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、并把水排出去，機(jī)器人隨之就會產(chǎn)生光控制的彈性形變。 另一方面，袁航和團(tuán)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，加上磁場后，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里面，這樣水凝膠不僅能對光產(chǎn)生效應(yīng)，由于其內(nèi)部的磁性納米線，也使得它能被外加磁場控制。

圖 |水凝膠機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場下執(zhí)行任務(wù) 當(dāng)施加外磁場，水凝膠內(nèi)部固定的磁性納米線就會向水凝膠施加應(yīng)力，從而讓水凝膠產(chǎn)生形變，基于該原理就能控制機(jī)器人行走或者滾動。概括來說，這是基于磁場和彈性之間的一種耦合。 這種化學(xué)合成，除讓機(jī)器人實現(xiàn)行走和滾動之外，還能讓它通過狹窄通道和復(fù)雜路線。當(dāng)暴露在 LED 光下時，機(jī)器人的分子會排斥水分并讓水分子逸出，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。 由于機(jī)器人內(nèi)嵌的鎳骨架具有鐵磁性，因此可通過磁場使機(jī)器人的腿部移動。為了驅(qū)動機(jī)器人，該團(tuán)隊把外加磁場編程為特定的序列，這些序列能讓機(jī)器人沿著所需路徑運(yùn)動，再加上精確的計算，就可讓機(jī)器人沿著預(yù)設(shè)的任意路徑進(jìn)行運(yùn)動。

圖 | 光觸發(fā)在旋轉(zhuǎn)磁場下行走 袁航說，此前機(jī)器人多數(shù)用 3D 打印，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(tuán)隊加入了光場，因此可通過光場來調(diào)控磁化方向，磁化方向一變，機(jī)器人對磁場的響應(yīng)也會隨之改變。 據(jù)悉，在該團(tuán)隊中的 Stupp 組于今年早些時候發(fā)表的一項研究中，機(jī)器人材料可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)彎曲，并以每 12 小時一步的緩慢速度爬行。而現(xiàn)在的“檸檬片”可在磁場的響應(yīng)下每秒邁出大約一步，可操控性更強(qiáng)，就像控制玩具車一樣。 一旦到達(dá)目的地，該機(jī)器人就可通過倒轉(zhuǎn)形狀來卸載貨物，或者用跳街舞一樣的旋轉(zhuǎn)動作來脫落和釋放較粘稠的物體。 此外，該軟體機(jī)器人還可通過分子設(shè)計，來識別并主動清除特定環(huán)境中不需要的顆粒，其運(yùn)動速度也比此前誕生于同一實驗室的軟性機(jī)器人要快得多。

圖 |水凝膠機(jī)器人響應(yīng)納米線取向的行走模式 對于上述功能的實現(xiàn)，袁航告訴 DeepTech，在機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向與軌跡設(shè)計實驗時，他遵循磁彈性的理論，搭建了數(shù)值計算模型，并基于機(jī)器人感光后的形狀與外加磁場強(qiáng)度，預(yù)測出了機(jī)器人相應(yīng)的運(yùn)動軌跡。 機(jī)器人在運(yùn)動時，需要一個很好的數(shù)學(xué)模型，所以袁航先在模型中計算，需要怎樣的磁場來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。然后，他和團(tuán)隊用在模型上計算出來的磁場，加載在實驗室的設(shè)備上面，最終發(fā)現(xiàn)了和模型預(yù)言相當(dāng)吻合的行為。 可做藥物遞送和容器反應(yīng)

袁航認(rèn)為，未來的機(jī)器人版本可能更小，甚至可以達(dá)到微米級別，屆時就可在微觀層面上操作，比如用于在病人體內(nèi)的定向輸送藥物，將生物治療劑或細(xì)胞精確地輸送到特定組織。 除遞送藥物之外，由于機(jī)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(yīng)容器。比如要到達(dá)人體內(nèi)一些不好到達(dá)的特殊位置，就可以讓機(jī)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(xué)分子擴(kuò)散到機(jī)器人中來進(jìn)行反應(yīng)。而機(jī)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(jī)器人上面進(jìn)行反應(yīng)。

圖 | 旋轉(zhuǎn)磁場下的轉(zhuǎn)向運(yùn)動和路徑 概括來說，該機(jī)器人是基于模仿生物的新材料設(shè)計，它不僅能實現(xiàn)更快的反應(yīng)，還能實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。除改變形狀之外，還可給其添加腿部，并給予它更多的行走步態(tài)和更智能的行為。屆時機(jī)器人就會具有高度的通用性，并能用于不同的任務(wù)。 理論上，該機(jī)器人還可以被編程為 “集群” 陳列，并去模仿自然界中鳥類、細(xì)菌群落或海洋魚群，擴(kuò)大規(guī)模后它們能處理更多任務(wù)。例如，在傷口縫合時，可以設(shè)計上百萬個微型機(jī)器人，讓它們執(zhí)行類似于組織細(xì)胞、或組織細(xì)菌群的任務(wù)。 袁航表示，該機(jī)器人在對外界刺激產(chǎn)生的響應(yīng)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(shè)計出外觀更精巧的機(jī)器人。

此外，當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)變得很小的時候，周圍環(huán)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(tuán)隊還需基于目前材料，去產(chǎn)生新的驅(qū)動方案，屆時機(jī)器人有望實現(xiàn)更豐富的操控。 但無論如何，本次研究告別了此前機(jī)器人只能單一響應(yīng)的局限性，是少有可實現(xiàn)既有光響應(yīng)、又有磁場響應(yīng)的機(jī)器人。 據(jù)袁航表示，他本科就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院物理班，該學(xué)院專注于基礎(chǔ)學(xué)科，這讓他受到了良好的訓(xùn)練。 本科畢業(yè)后，他來到美國西北大學(xué)就讀應(yīng)用物理專業(yè) PhD。談及出國留學(xué)，袁航說他和當(dāng)前導(dǎo)師在風(fēng)格上比較適合，在對方指導(dǎo)下，他也有機(jī)會接觸到比較好的課題。 而在本次研究中，他主要負(fù)責(zé)理論與模擬部分。另一位共同第一作者李闖，是一位 85 后，博士畢業(yè)于清華大學(xué)，目前在西北大學(xué) Stupp 組進(jìn)行博士后研究工作，其主要負(fù)責(zé)材料部分和實驗部分。 對于該合作，袁航表示，本次研究屬于理論和實驗結(jié)合得比較好的例子，而這在科研中并不容易遇到。 -End-

原文標(biāo)題：“檸檬皮”軟體機(jī)器人！26歲重慶小伙聯(lián)合發(fā)明光磁場機(jī)器人，可爬坡、可卸貨，有望用于體內(nèi)藥物遞送｜專訪

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