近日，前沿交叉研究中心錢小石教授團隊研制出一種基于光熱-流體耦合驅(qū)動的韌性水凝膠軟體機器人（TG-BOT），創(chuàng)新了流-固耦合傳熱驅(qū)動的新范式，突破傳統(tǒng)軟體機器人依賴主動材料的局限，為智能材料在極端環(huán)境下的應(yīng)用開辟了新方向。相關(guān)成果以“A photo-mechanically inactive tough gel exhibits multimodal, light-guided underwater navigation”為題，發(fā)表在Science Advances上。博士后侯國棟為論文第一作者，錢小石教授為通訊作者。
目前，許多人工材料可以對特定的外部刺激做出反應(yīng)，模仿生物系統(tǒng)中的形狀變換和自主運動等行為。然而，這些驅(qū)動大多需手動干預(yù)或電子電路控制運動，材料僅作為驅(qū)動器。受生命體自我調(diào)節(jié)能力的啟發(fā)，一些研究工作已開始利用材料的體內(nèi)反饋控制來實現(xiàn)更高級別的自我調(diào)節(jié)和驅(qū)動能力，如向光性和趨光性。但多數(shù)系統(tǒng)依賴材料機械響應(yīng)實現(xiàn)彎曲、指向、振蕩和平衡。盡管此類系統(tǒng)功能豐富，但機械響應(yīng)存在速度慢、易疲勞、易受損等缺點，限制了其材料選擇。因此，建立一種新的軟體機器人系統(tǒng)的設(shè)計范式至關(guān)重要，這種機器人不依賴直接機械響應(yīng)、機械耐久性好、能根據(jù)外部信號自主精準移動。
圖1：光驅(qū)動水下軟體機器人的設(shè)計與表征
研究團隊創(chuàng)新性地提出“環(huán)境流體驅(qū)動”理念，通過將還原氧化石墨烯（r-GO）均勻嵌入高纏結(jié)聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠中，構(gòu)建出具有超強韌性的光熱轉(zhuǎn)換材料（圖1）。新型材料的拉伸模量達19.12kPa，是傳統(tǒng)軟水凝膠的11.7倍；拉伸應(yīng)變高達2162%，是傳統(tǒng)材料的21倍；其經(jīng)9000次循環(huán)載荷后仍保持低遲滯特性。在抗壓性能方面，其壓縮應(yīng)力達9.62MPa，較同類材料提升2.5倍。在此基礎(chǔ)上，研究開發(fā)一種堅韌的水下軟體機器人（TG-BOT），并展示了準確的三維多模態(tài)運動。與直覺相反，軟體機器人由聚合物組成，這些聚合物對光機械沒有反應(yīng)，而是由周圍的流體提供動力。這種集成的傳感、驅(qū)動和控制過程伴隨著多物理場耦合，TG-BOT可自主完成高難度任務(wù)，如跨越障礙、在陷阱中游泳、在卷曲管中行走，以及其他水下操作。這種全新的光-流-固耦合傳熱驅(qū)動方式展現(xiàn)出卓越的環(huán)境適應(yīng)性（圖2）。
圖2：光-流-固耦合傳熱驅(qū)動的耦合運動模式
該研究突破了光驅(qū)動軟體機器人領(lǐng)域長期存在的“材料-驅(qū)動-耐久性”三角難題，不僅為新一代環(huán)境自適應(yīng)智能系統(tǒng)提供了全新思路，更為軟體機器人系統(tǒng)優(yōu)化、微小無人深海探測器件研發(fā)等工程應(yīng)用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads4507
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