软机器人：利用内部产生的动力塑造自身并移动？

几十年来，机器人提高了人类活动的效率。然而，通常，机器人由笨重的硬质材料形成，并且需要连接到外部电源; 这些功能限制了他们的灵活性和灵活性。但是，如果一种新材料允许开发一种“软机器人”，可以重新配置自己的形状并使用自己内部生成的动力进行移动呢?

通过开发新的计算模型，匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员设计了一种合成聚合物凝胶，可利用内部产生的化学能进行变形和自持推进。他们的研究发表于4月30日，由Nature出版的“ 科学报告 ”杂志上发表。

作者是斯旺森学院化学与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。

“运动是一种基本的生物行为，由最简单的细胞呈现给人类。它允许有机体觅食或逃离掠食者。但合成材料通常不具备自发机械作用或储存和使用的能力。他们自己的能量，导致定向运动的因素“巴拉兹博士说。“此外，在生物学中，定向运动涉及某种形状的变化，例如肌肉的扩张和收缩。因此我们询问我们是否可以在合成系统中模拟这些基本的互联功能，以便它可以同时改变其形状和移动。”

作为一个简单的例子，Drs。Balazs和Kuksenok使用单细胞生物euglena mutabilis，它处理能量以扩展和收缩其形状以便移动。为了模仿眼虫的活动，Drs。Balazs和Kuksenok研究了含有spirobenzopyran(SP)的聚合物凝胶，因为这些材料可以使用光变形为不同的形状，以及Belousov-Zhabotinsky(BZ)凝胶，这种材料在20世纪90年代末首次制造，不仅经历周期性脉动，但也可以在光的存在下驱动。

“BZ凝胶包含内化化学反应，因此当您提供试剂时，这种凝胶可以进行自我持续运动，”Kuksenok博士解释说。“虽然研究人员之前已经创造了具有SP和BZ功能的聚合物链，但这是他们第一次结合起来探索”SP-BZ“凝胶改变形状和移动以响应光的能力。

正如Balazs和Kuksenok所指出的那样，这些系统是独特的，因为它们不仅经历自弯曲或折叠，而且还具有自推进运动。即，该材料集成了每种组分的强大属性 - SP功能化凝胶与光“模塑”的能力和BZ凝胶的自主机械作用。

根据Balazs博士的说法，他们的研究期间出现了意想不到的结果。“均匀的光线照射不起作用。我们必须将光线放在正确的位置以便凝胶移动。如果我们改变光线的模式，凝胶会显示出翻滚运动。

“我们还发现，如果我们将SP放置在BZ凝胶的某些区域并将这种材料暴露在光线下，我们就可以创造出新型的自折叠行为。” 研究的下一阶段是将凝胶中SP和BZ功能的图案化与光的图案化相结合，以扩展聚合物的运动曲目。

Balazs博士补充说，这些SP-BZ凝胶可以为微流体装置创建小型软机器人，有助于进行多阶段化学反应。

“科学家们对设计具有耗散性的仿生系统感兴趣 - 他们使用能量来执行功能，就像我们的新陈代谢使我们能够执行不同的功能一样，”她解释道。“材料科学的下一个推动力是模仿合成材料中的这些内部代谢过程，从而创造出能够吸收能量，转化能量并自主完成工作的人造材料，就像在生物系统中一样。”

使用聚合物凝胶代替金属和合金来制造机器人的好处是它大大减少了质量，改善了其潜在的运动范围，并允许更“优雅”的装置。

“简单地说，为了让机器人能够以更加仿生的方式更自主地移动，如果它柔软而且柔软，那就更好了，”Kuksenok博士说。“它具有抓取和携带物品的能力，不会受到非柔性，坚硬边缘的阻碍。你也喜欢将其能量源加入到设计中，这样它就不会带来额外的行李.SP-BZ凝胶指向我们在那个方向。“