【科學背景】

能夠模仿生物體表現出的運動和功能的自然系統合成類似物的實現，長期以來一直引起工程師和材料科學家的興趣。現有的人工系統缺乏自然界中發現的複雜性和機械順應性，這導致了合成與生物之間的不匹配。在這方面，近年來，軟機器人領域已經從工程主導的概念轉變為受生物啟發的概念。合成和生物學之間在柔韌性，適應性和自我修復方面的不相容性可以透過使用軟聚合物來彌補，在軟聚合物中，驅動，控制和功能可以整合到單一材料中。

【摘要】

最近，都柏林大學Larisa Florea研究員聚焦仿生學並在《Science Robotics》上發表了題為Magnetic movement under the spotlight的論文。該文論述了複合水凝膠機器人可以利用光和磁場實現可程式設計的運動。

【正文】

Li等人在《科學機器人》一書中撰文（Sci. Robot. 5, eabb9822 (2020).）。將光響應水凝膠與高度有序的鐵磁奈米線結合在一起，以提供可透過光進行程式設計和重新配置的磁性驅動水凝膠。他們展示了一種四足水凝膠機器人，該機器人可以行走，操縱，爬升並將貨物運送到水性環境中的所需位置（圖1）。

圖1光活化的磁性水凝膠轉運蛋白。（左）從下方照射光時，十字形扁平水凝膠呈拱形構形，可捕獲藻酸鹽珠。然後，該機器人在磁場作用下以滾動運動的方式運輸，當從上方照射的光使水凝膠的曲率反轉時，會釋放出珠子。（右）水凝膠機器人在旋轉的磁場下從左向右行走，然後透過快速旋轉運動將其釋放。

水凝膠是親水性聚合物網路，可吸收大量水，因此在水環境中成為實現軟機器人的令人興奮的技術基礎。刺激響應部分的新增導致水凝膠可以響應於溫度，光，電場或區域性化學環境而可逆地改變其吸水率。在宏觀上，水凝膠驅動是受擴散控制的，因為它依賴於在外部刺激下聚合物網路的反覆溶脹/溶脹。反過來，這會引起緩慢的驅動動力學，這代表了軟水凝膠機器人應用的關鍵挑戰。

還不能不強調克服弱機械效能和各向同性響應的需要，這是水凝膠致動器的另外兩個值得注意但可克服的缺點。Li等人透過創造一種各向異性的水凝膠-金屬雜化材料幷包括排列的鐵磁奈米線，我們克服了這些挑戰。這是創新的，其原因有兩個：對齊的奈米線可提高機械效能和不對稱水凝膠致動，鐵磁性材料的存在可確保在外部旋轉磁場下具有快速響應。

混合機器人具有簡單的幾何設計，從平坦的十字形水凝膠平板開始。在來自下方的白光照射下，它經歷了宏觀變形，彷彿上升到了它的四個腿。在其最新採用的弓形狀態下，水凝膠顯示出磁性奈米線的非均勻三維（3D）磁化曲線，從而可以在旋轉磁場下對助步器進行可控的可程式設計致動。相反，去除光源可使水凝膠返回其靜止的初始狀態，在此狀態下水凝膠不會受到磁刺激的干擾。這種光磁響應的相互依賴性使Li等人提出的機器人具有內建的控制器，從而使磁刺激在黑暗中無效。像刺蝟一樣，來自下方的高強度光照射會使四足水凝膠助步器捲曲成球形。該動作可用於包裹外部物體（此處以藻酸鹽珠子為例），並且機器人在磁場下滾動到所需位置，在隨後的光輻照下，它們的貨物可被釋放。透過將響應的水合軟質與對齊的磁性材料和無線激勵相結合，作者為真正模仿生物運動和功能提供了潛在的平臺。

以目前的形式，混合水凝膠機器人需要在酸性條件下操作，這確實是一個明顯的限制。這樣的條件用於將螺吡喃共聚單體質子化為其更親水的形式，這對於產生水凝膠膨脹是必不可少的。基於螺吡喃的光致動器領域中的先前工作已經表明，酸性共聚單體（丙烯酸）的共聚可以充當內部質子源，因此極大地擴充套件了這種光致動器的操作視窗。

令人興奮的是，由於有潛力將其技術小型化並將其應用於各種問題。例如，縮小到微尺度可能會產生能夠沿狹窄的流體通道進行程式化導航的車輛。微加工技術（例如透過多光子聚合直接進行鐳射刻寫）可以潛在地實現複雜的幾何形狀，以及3D中的受控和可程式設計驅動。如果可以實現這些各種要素，那麼所提出的工作可能會很好地應用於微車隊，這些車隊巧妙地透過曲折的動脈網路編織自己的道路。

參考文獻：DOI: 10.1126/scirobotics.abf1503