自然界生物體系通過連續(xù)對稱性破壞以及反饋調(diào)節(jié)機制，實現(xiàn)復(fù)雜、可控的運動機能。設(shè)計制備具有智能驅(qū)動、自動控制功能，且能夠自發(fā)持續(xù)運動的軟體機器人仍是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性難題，其難點在于難以復(fù)制生命體中的生物響應(yīng)、神經(jīng)控制、自我調(diào)節(jié)等特征。目前，大多數(shù)軟體機器人通過動態(tài)外界刺激操控對稱性破壞與回復(fù)，實現(xiàn)定向持續(xù)運動。一些軟體機器人依靠自遮擋效應(yīng)、震蕩化學(xué)反應(yīng)形成反饋回路，實現(xiàn)驅(qū)動、運動的自動控制；但是，這些運動通常是震蕩模式，設(shè)計具有平穩(wěn)、自發(fā)、持續(xù)運動能力的軟體機器人具有重要的科學(xué)意義。相對于幾何結(jié)構(gòu)的重要性，軟體機器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在驅(qū)動控制以及自發(fā)運動中的作用少有涉及。
近日，浙江大學(xué)鄭強教授、吳子良教授與南方科技大學(xué)洪偉教授以響應(yīng)性水凝膠制備具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軟體機器人，實現(xiàn)了靜態(tài)光照條件下的自發(fā)持續(xù)運動。研究表明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增強了局部變形的關(guān)聯(lián)性，纏繞關(guān)聯(lián)的自遮擋效應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)運動的自相似性共同賦予拓?fù)錂C器人自我調(diào)節(jié)功能，從而實現(xiàn)靜態(tài)刺激下的自發(fā)持續(xù)運動。
作者利用各向異性水凝膠制備了不同繩結(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)錂C器人，包括圓環(huán)、三葉結(jié)、五葉節(jié)、所羅門結(jié)（Solomon link）、大衛(wèi)之星結(jié)（Star-of-David link），在靜態(tài)光照下實現(xiàn)了持續(xù)的滾動（rolling）、旋轉(zhuǎn)（rotation）等運動。研究了繩結(jié)尺寸、手性以及光照強度、方向等因素對拓?fù)錂C器人運動機能的影響規(guī)律。通過理論模型進一步證實，該自我調(diào)節(jié)的運動機制源于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的預(yù)應(yīng)變、快速可逆的形狀變化以及自遮蔽效應(yīng)的協(xié)同作用。此類拓?fù)錂C器人可用于執(zhí)行特定任務(wù)，如旋轉(zhuǎn)齒輪、物品輸運等。
圖1.圓環(huán)凝膠機器人在靜態(tài)及動態(tài)光照下的連續(xù)運動。
圖2. 三葉結(jié)拓?fù)錂C器人在靜態(tài)光照下的連續(xù)運動。
圖3.多種繩結(jié)軟機器人的自發(fā)持續(xù)運動。
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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