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  基于智能軟材料的軟體機器人具有和傳統電機驅動的機器人類似的感知外界刺激，產生相應的驅動行為的能力，同時具有和生命體更加匹配的力學性能，更友好的人機交互界面，預期能更好地模擬自然界的各自生物運動模式，近年來受到了廣泛的關注。隨著其深入發展，人們提出了越來越高的期望，比如能夠實現軟體機器人驅動行為的按需重構是一個重要的發展方向。從材料角度，具有異質結構的驅動器是實現驅動的關鍵，異質結構往往通過化學交聯的方式來固定，一旦形成，很難改變，這導致軟體驅動器的驅動行為較為單一，且難以根據實際需求進行重新編輯。近年來，科研人員們利用一定刺激下的可逆反應初步實現了驅動器的異質結構的重構，使同一軟體機器人能夠展現多模式驅動行為。但目前報道的重構過程通常需要高溫加工、圖案化光場、化學處理、精密設備等復雜操作，實際應用受到了限制。如何在溫和條件下實現軟體驅動器和機器人的便捷重構仍是一項挑戰。

  針對這一問題，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室游正偉教授團隊采用模塊化的思想提出了宏觀任意愈合組裝 (Macroscopically discretionary healing-assembly)策略，利用材料自愈合性，實現了軟體驅動器和機器人的便捷高效重構。相關成果以“A New Strategy of Discretionarily Reconfigurable Actuators Based on Self-Healing Elastomers for Diverse Soft Robots”為題，發表于材料學領域國際著名學術期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。東華大學材料學院碩士生樓佳銘是論文的第一作者，博士生劉增賀是論文的共同第一作者，游正偉教授是該論文的通訊作者。

圖1. 基于自愈合聚肟氨酯材料的宏觀任意愈合組裝的可重構軟體機器人的總體設計

  游正偉教授團隊長期從事彈性體研究，近年來在自愈合彈性體領域取得系列進展 (Nat. Commun. 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-24680-x; Natl. Sci. Rev. 2021, 8: nwaa154; Adv. Mater. 2019, 31: 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29: 1901058; Sci. China Mater. 2021, 64: 1791; Mater. Chem. Front. 2019, 3: 1833)，特別是在動態聚肟氨酯彈性體方向開展了較為系統的研究 (邀請綜述：Chinese J. Polym. Sci. 2021, DOI: 10.1007/s10118-021-2625-9)，本工作以此為基礎設計構建軟體機器人。通過控制交聯度便捷制備了對溶劑具有不同的溶脹度的聚肟氨酯模塊，模塊之間由于其自愈合性，可以組裝結合為異質復合結構，通過不同模塊簡單自由的組合，可以靈活構建在溶劑刺激下驅動行為各異的軟體機器人；這些組裝的機器人能夠被任意裁剪成簡單模塊，再重新愈合組裝，構筑具有新的驅動行為的軟體機器人(圖1)。

圖2. 自愈合聚肟氨酯材料設計及宏觀任意愈合組裝策略展示

  圖2以雙層驅動器為例，闡述了自愈合軟體驅動器的構建和重構過程。交聯的聚肟氨酯(CPDOU)和線性的聚肟氨酯(NPDOU)無縫愈合為一個異質結構。動態肟氨酯鍵在異質結構界面處重組，賦予了驅動器良好的界面結合強度。不同交聯度的聚肟氨酯在溶劑中的溶脹速率和溶脹度不同，從而雙層結構的驅動器能在溶劑刺激下發生可逆的變形(圖3)，并在循環驅動中展現了出色的穩定性。通過調整兩層的幾何參數可以有效調控驅動器在溶劑刺激下的變形程度。

圖3. 雙層驅動器的驅動性能及良好界面結合。

  驅動器的自愈合性是實現宏觀任意愈合組裝策略的關鍵。作者考察了上述雙層驅動器在切斷后原位愈合和翻轉后再對接愈合兩種組裝模式對驅動器的愈合性能的影響(圖4)。由于斷裂面之間的動態肟氨酯鍵和氫鍵的作用，驅動器在兩種愈合模式下均展現出快速的愈合。在室溫愈合15 min后，在兩種模式下愈合樣條均展現出了良好的力學性能的恢復，可以被拉伸到至少200%而不發生斷裂。

圖4. 雙層驅動器的室溫愈合性

  以上述的異質雙層驅動器和原有同質聚肟氨酯為模塊，通過對模塊的數量、形狀和排列的簡單組合，作者構建了一系列傳統的制造方法難以制備的具有不同3D驅動行為的軟體機器人（圖5）。

圖5. 模塊化愈合組裝策略構建驅動行為各異的軟體機器人

  接著作者展現了使用宏觀任意裁剪愈合組裝策略來實現軟體機器人的重構（圖6）。首先從一個長條狀的驅動器出發，調整模塊的組合方式，使該驅動器能夠展現C形、S形、波浪形三種不同的驅動模式。然后以人形軟體機器人為例，通過改變“手臂”、“身體”和“腿”模塊的排列，其在同一溶劑刺激下的驅動變形能夠在跪姿、擁抱和瑜伽坐角式三種姿勢中相互切換。除了改變驅動行為，該策略還能夠賦予驅動器一些特定功能，比如作者將僅發生簡單彎曲變形的長條狀驅動器重構成一個四臂式機器人，在溶劑刺激下該機器人能夠舉起自重1.5倍的鋁板。該策略中對驅動器的拆解及模塊的再組裝過程簡便靈活，從理論上講，可以實現無限重構，通過合理的設計，有望構建出多模式、多功能的軟體機器人。

圖6. 軟體驅動器和機器人的室溫便捷靈活重構

  該工作基于材料自愈合性，提出了一種宏觀任意愈合組裝策略，通過簡單模塊的拆解組裝愈合在室溫下實現軟體機器人的靈活的構筑和重構，整個過程無需其他刺激和特別設備，室溫下可反復多次進行，展現了前所未有的便捷性。基于材料的本征自愈合性實現軟體機器人重構的思路，此前未見報道，該策略可以拓展到磅礴興起的其它自愈合材料，為新一代軟體機器人的設計和制造提供新的思路，同時也擴寬了自愈合材料的應用范圍。

  該工作獲得了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等項目資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202008328

  團隊主頁：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp