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  無定形軟體機器人指的是可以根據所處的地理環(huán)境，自由任意的改變其結構和外觀，具有運動能力、變形能力和傳感測量能力的一類機器人。其在生物醫(yī)學領域和安全領域也有著自己獨有的優(yōu)勢。在生物醫(yī)學領域，無定形軟體機器人在可控藥物釋放以及植入式醫(yī)療機器人等方面有著巨大的潛力，微型軟體機器人可以通過注射方式隨血液進入血管，借助傳感元件和包載藥物，對血液和血管道進行測量，實現(xiàn)定點可控藥物釋放等功能。安全領域，無定形軟體機器人能有進入人類無法進入或者危險的環(huán)境，并對環(huán)境中物理、化學和生物等信號進行檢測，環(huán)境適應能力強，在排險、探傷、偵查、軍事安全領域具有廣泛的應用前景。

  柔性電子技術近年來發(fā)展迅速。柔性電子器件具有超薄、柔性、可延展的類皮膚特性，并根據集成的元件提供復雜的功能，如傳感，顯示，計算以及能量收集和存儲等。柔性電子器件主要貼附于或者集成在有機體、機器和電子產品上工作，這些依附物往往位置固定，其活動范圍受限。受自然界水母等生物有機軟體的啟發(fā)，軟體機器人可以通過反復的形狀改變進行可逆變形，同時可以實現(xiàn)運動、抓取、運輸和觸覺感應等功能。然而現(xiàn)有軟體機器人的這些功能實現(xiàn)主要依賴于傳統(tǒng)的剛性傳感元件和電路，還沒有做到機體和功能電路的全柔性構造。因而，一種全柔的功能軟體機器人亟待實現(xiàn)，以滿足現(xiàn)代化生產生活的多元化需求。

  針對以上問題，天津大學精儀學院生物醫(yī)學柔性電子實驗室的黃顯教授受自然界中身體極為柔軟的水母、輪蟲等腔腸動物或浮游生物的啟發(fā)，結合柔性電子的研究背景，提出一種全新的無定形軟體機器人-智能液滴，利用液滴和柔性電子器件實現(xiàn)了復雜環(huán)境下機器人輸送、運動、變形、傳感測量和多任務執(zhí)行（圖1a）。研究團隊利用液滴的柔軟無定形特性和柔性電子器件的超薄柔軟特性，構建了一種新型的軟體機器人-智能液滴，首次實現(xiàn)了軟體機器人運動載體和功能測量器件的全柔性化和可編程控制。在該研究中，團隊基于微納加工技術制作出超薄（厚度小于10微米）多功能柔性電子器件（圖1b），利用液滴浮力和表面張力等特性，將柔性電子器件懸浮于液滴表面，通過改變液滴種類和器件設計（圖1c,d,e），實現(xiàn)不同環(huán)境和控制條件下智能液滴的運動、變形和傳感測量等功能。

圖1智能液滴基本概念圖

  研究團隊在水液滴中摻入了四氧化三鐵納米顆粒，在磁場條件控制下，智能液滴可以以226cm/min的速度進行可編程化運動（圖2a）。運動過程中，遇到細小夾縫、凸起表面時，智能液滴可以憑借全柔性化構造，改變自身形狀通過障礙物，到達指定位置后還可以恢復成原來的形狀，展現(xiàn)了良好的運動和變形特性。不僅如此，當環(huán)境改變時（空氣介質轉為油性介質），智能液滴借助油水不相容原理，依舊可以在油性環(huán)境中自由運動（圖2a,b,c,d,e）。在此運動和環(huán)境適應能力的基礎上，智能液滴可以將電子器件投遞至目標指定位置并完成功能組裝（圖2f）。

圖2智能液滴可編程運動及變形圖

  除了具備良好的運動和環(huán)境適應能力之外，智能液滴還可以對環(huán)境中的物理、化學和生物等信號進行測量和采集。團隊在柔性電子器件上集成了多種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光學傳感器、應力傳感器、葡萄糖傳感器、食品毒素傳感器和無線能量采集模塊。實現(xiàn)了智能液滴靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下的傳感測量、相變和環(huán)境能量采集（圖3）。

圖3 智能液滴靜態(tài)/動態(tài)傳感測量圖

  將液滴與柔性電子相結合是一種全新的構建全柔性軟體機器人的方法，該方法為全面實現(xiàn)復雜環(huán)境下可獨立工作的軟體機器人奠定基礎，在國際上尚未有與之類似的研究，體現(xiàn)了其先進性和顛覆性。同時，這種方法給時間和勞動消耗型研究帶來了便利，高通量可編程控制的特點使其可應用于基因測序、化學合成、藥物遞送和微組裝等需要精確操控和持續(xù)檢測領域，具有十分重要的科學意義和應用價值。

  相關工作發(fā)表已于10月30日線上發(fā)表于工程科學領域頂級的國際期刊Advanced Science（影響因子15.804）。博士研究生周明行為本文的第一作者，黃顯教授為本文的通訊作者，實驗室的徐航博士為本文的共同通訊作者。上述工作得到了國家自然科學基金（No. 61604108），天津自然科學基金（No.16JCYBJC40600）和天津大學自主創(chuàng)新基金的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201901862