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  自然界中生物可以控制片狀器官產生多樣的三維波浪形貌，并利用波動來實現豐富的功能，例如海蛞蝓利用片狀足底產生的肌肉波浪來實現在海底爬行，哺乳動物利用消化道的蠕動來傳輸食物。相比之下，人造柔性機器人系統產生的波動遠不及自然系統生物體波動形貌和功能的多樣性。如果能夠設計和創造出一種新穎的柔性形變機器人系統，不僅能夠自適應地在單片人造肌肉（MSAM）上編程實現多種三維波浪形貌，還能夠同時實現三維波浪的自持續運動。這種自持續的波動柔性機器人系統將具備推進、運動、傳輸功能，為自動機器人、自持續柔性機器、生物醫學設備等領域的創新發展提供無限可能。

  近期，西湖大學工學院呂久安團隊開發出了一種可以在單片柔性人造肌肉（MSAM）中實現三種自發行進波的軟體機器人系統。該系統可以產生三種不同的光致三維波動行為，分別為扭曲引發的扭轉波形運動、邊緣波動、中心波動（圖1）。系統的核心設計理念結合了兩個不同的生物智能實例所采用的原理，即植物葉片不同三維波浪的形貌產生原理，以及鰩目魚胸鰭的波動運動原理。前者提供了一種三維波浪形狀選擇機制，能夠通過差異性生長使 MSAM 自發形變成不同的三維波浪形貌，而后者提供了一種驅動原理，通過節律性運動模式使得所構建的三維波能夠產生自持續傳播。該系統由兩部分組成，如圖2a所示。其一是驅動單元，由平直的、受限的 MSAM 組成，MSAM可以局部生長、變形、自適應成型為目標三維波型；其二是一個可程序化重構的光學裝置，這個光學裝置可以提供結構光圖案，所使用的光學裝置是具有灰度圖的商業投影儀或配備有光掩膜板的光源。通過切換結構化光，三種波型可以原位自由切換（圖2h）。為了清晰理解三維波浪產生和傳播的機制，團隊結合植物波浪形態發生和鰩魚波動運動機制對系統設計進行了闡述，強調了靜態光輸入誘導材料固有的光機械耦合相互作用的對波浪形貌和自動波動的重要性（圖3）。該系統采用的光致三維波浪形態產生機制和自發波動機制可廣泛地適用于刺激響應材料的三維形態產生和功能開發，能夠為可編程的柔軟的機器人、柔性發動機/馬達/泵、自動能量鋪獲和轉換、微機械系統等前沿高新技術領域提供新設計和新思路。該工作以“Photomorphogenesis of Diverse Autonomous Traveling Waves in a Monolithic Soft Artificial Muscle”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上， 西湖大學博士研究生趙桐輝為第一作者，呂久安研究員為通訊作者，該研究工作得到國家自然科學基金的資助支持。

圖 1 仿生原理。（a）植物葉片的三種不同 的三維波浪形狀：扭曲形狀、邊緣波形狀、中心凹凸起伏形狀。（b）鰩魚的波動運動。（c） 結合上述植物葉葉片形貌產生和鰩魚波動的兩個原理，設計了一種利用結構化靜態光在單片柔性人造肌肉中產生三種三維波形并同時實現自發波動運動的柔性機器人系統。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02000