浙大郑强、吴子良/南科大洪伟 Nat. Commun.：自发持续运动的水凝胶拓扑机器人

2024-01-07 来源：高分子科技

自然界生物体系通过连续对称性破坏以及反馈调节机制，实现复杂、可控的运动机能。设计制备具有智能驱动、自动控制功能，且能够自发持续运动的软体机器人仍是该领域的挑战性难题，其难点在于难以复制生命体中的生物响应、神经控制、自我调节等特征。目前，大多数软体机器人通过动态外界刺激操控对称性破坏与回复，实现定向持续运动。一些软体机器人依靠自遮挡效应、震荡化学反应形成反馈回路，实现驱动、运动的自动控制；但是，这些运动通常是震荡模式，设计具有平稳、自发、持续运动能力的软体机器人具有重要的科学意义。相对于几何结构的重要性，软体机器人拓扑结构在驱动控制以及自发运动中的作用少有涉及。

近日，浙江大学郑强教授、吴子良教授与南方科技大学洪伟教授以响应性水凝胶制备具有不同拓扑结构的软体机器人，实现了静态光照条件下的自发持续运动。研究表明拓扑结构增强了局部变形的关联性，缠绕关联的自遮挡效应以及旋转运动的自相似性共同赋予拓扑机器人自我调节功能，从而实现静态刺激下的自发持续运动。

绳结是一类典型的拓扑结构，在三叶结等绳结中，镜面、轴向、手性等对称性均被破环，有利于软体机器人动态驱动和运动模式的调控。此外，绳结制作中的穿插缠绕产生内部应力，形成拓扑约束，也加强了自遮挡效应。将绳结拓扑结构和智能材料相结合，有可能赋予软体机器人自动控制等物理智能（physical intelligence）,从而实现自发持续运动。
作者利用各向异性水凝胶制备了不同绳结结构的拓扑机器人，包括圆环、三叶结、五叶节、所罗门结（Solomon link）、大卫之星结（Star-of-David link），在静态光照下实现了持续的滚动（rolling）、旋转（rotation）等运动。研究了绳结尺寸、手性以及光照强度、方向等因素对拓扑机器人运动机能的影响规律。通过理论模型进一步证实，该自我调节的运动机制源于拓扑结构诱导的预应变、快速可逆的形状变化以及自遮蔽效应的协同作用。此类拓扑机器人可用于执行特定任务，如旋转齿轮、物品输运等。

该软体机器人由圆柱状的各向异性纳米复合水凝胶制备而成。该凝胶在激光照射下，发生快速、可逆的向光弯曲变形。该凝胶首尾结合后即形成圆环结构的软体机器人（图1），圆环内侧含有压应力，而外侧含有拉应力。当光从正上方照射时，光热温度梯度打破其镜面对称，并诱导凝胶向光弯曲，由此产生的环向力驱动圆环机器人发生连续的向内旋转运动。在圆环中引入扭转应力，将进一步增强其驱动能力和运动速度。

图1.圆环凝胶机器人在静态及动态光照下的连续运动。

在三叶结拓扑机器人中，镜面对称和旋转对称被打破，同时具有结构手性。光照条件下该凝胶机器人展现出一种新的编制旋转（braid rotation）运动模式，这与绳结的交叉缠绕有关。与圆环机器人类似，三叶结机器人在静态光照下表现出自我调节的连续运动机能（图2）。

图2. 三叶结拓扑机器人在静态光照下的连续运动。

该设计原则适用于其他绳结结构的拓扑机器人。研究表明五叶节、所罗门结、大卫之星结在激光照射下，均表现出自发持续的旋转和滚动运动（图3）。值得注意的是，绳结机器人的旋转、滚动速度之比仅与拓扑结构中的交叉点数目有关。

图3.多种绳结软机器人的自发持续运动。

该工作以“Animating hydrogel knotbots with topology-invoked self-regulation”发表在Nature Communications上。浙江大学博士生朱清丽、南方科技大学硕士生刘伟轩为论文共同第一作者，浙江大学郑强、吴子良以及南方科技大学洪伟为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目以及上海光源的支持。

论文信息：

Qing Li Zhu, Weixuan Liu, Olena Khoruzhenko, Josef Breu, Wei Hong, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Animating hydrogel knotbots with topology-invoked self-regulation, 2024, 14, 300.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44608-x

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（责任编辑：xu）

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