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浙大鄭強、吳子良/南科大洪偉 Nat. Commun.：自發持續運動的水凝膠拓撲機器人

2024-01-07 來源：高分子科技

自然界生物體系通過連續對稱性破壞以及反饋調節機制，實現復雜、可控的運動機能。設計制備具有智能驅動、自動控制功能，且能夠自發持續運動的軟體機器人仍是該領域的挑戰性難題，其難點在于難以復制生命體中的生物響應、神經控制、自我調節等特征。目前，大多數軟體機器人通過動態外界刺激操控對稱性破壞與回復，實現定向持續運動。一些軟體機器人依靠自遮擋效應、震蕩化學反應形成反饋回路，實現驅動、運動的自動控制；但是，這些運動通常是震蕩模式，設計具有平穩、自發、持續運動能力的軟體機器人具有重要的科學意義。相對于幾何結構的重要性，軟體機器人拓撲結構在驅動控制以及自發運動中的作用少有涉及。

近日，浙江大學鄭強教授、吳子良教授與南方科技大學洪偉教授以響應性水凝膠制備具有不同拓撲結構的軟體機器人，實現了靜態光照條件下的自發持續運動。研究表明拓撲結構增強了局部變形的關聯性，纏繞關聯的自遮擋效應以及旋轉運動的自相似性共同賦予拓撲機器人自我調節功能，從而實現靜態刺激下的自發持續運動。

繩結是一類典型的拓撲結構，在三葉結等繩結中，鏡面、軸向、手性等對稱性均被破環，有利于軟體機器人動態驅動和運動模式的調控。此外，繩結制作中的穿插纏繞產生內部應力，形成拓撲約束，也加強了自遮擋效應。將繩結拓撲結構和智能材料相結合，有可能賦予軟體機器人自動控制等物理智能（physical intelligence）,從而實現自發持續運動。
作者利用各向異性水凝膠制備了不同繩結結構的拓撲機器人，包括圓環、三葉結、五葉節、所羅門結（Solomon link）、大衛之星結（Star-of-David link），在靜態光照下實現了持續的滾動（rolling）、旋轉（rotation）等運動。研究了繩結尺寸、手性以及光照強度、方向等因素對拓撲機器人運動機能的影響規律。通過理論模型進一步證實，該自我調節的運動機制源于拓撲結構誘導的預應變、快速可逆的形狀變化以及自遮蔽效應的協同作用。此類拓撲機器人可用于執行特定任務，如旋轉齒輪、物品輸運等。

該軟體機器人由圓柱狀的各向異性納米復合水凝膠制備而成。該凝膠在激光照射下，發生快速、可逆的向光彎曲變形。該凝膠首尾結合后即形成圓環結構的軟體機器人（圖1），圓環內側含有壓應力，而外側含有拉應力。當光從正上方照射時，光熱溫度梯度打破其鏡面對稱，并誘導凝膠向光彎曲，由此產生的環向力驅動圓環機器人發生連續的向內旋轉運動。在圓環中引入扭轉應力，將進一步增強其驅動能力和運動速度。

圖1.圓環凝膠機器人在靜態及動態光照下的連續運動。

在三葉結拓撲機器人中，鏡面對稱和旋轉對稱被打破，同時具有結構手性。光照條件下該凝膠機器人展現出一種新的編制旋轉（braid rotation）運動模式，這與繩結的交叉纏繞有關。與圓環機器人類似，三葉結機器人在靜態光照下表現出自我調節的連續運動機能（圖2）。

圖2. 三葉結拓撲機器人在靜態光照下的連續運動。

該設計原則適用于其他繩結結構的拓撲機器人。研究表明五葉節、所羅門結、大衛之星結在激光照射下，均表現出自發持續的旋轉和滾動運動（圖3）。值得注意的是，繩結機器人的旋轉、滾動速度之比僅與拓撲結構中的交叉點數目有關。

圖3.多種繩結軟機器人的自發持續運動。

該工作以“Animating hydrogel knotbots with topology-invoked self-regulation”發表在Nature Communications上。浙江大學博士生朱清麗、南方科技大學碩士生劉偉軒為論文共同第一作者，浙江大學鄭強、吳子良以及南方科技大學洪偉為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金等項目以及上海光源的支持。

論文信息：

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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（責任編輯：xu）

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