摩擦摩擦，似“僵尸”的步伐……的水凝胶软体机器人

软体机器人？“僵尸”的步伐？来不及解释了，先上动图：

“行走”的水凝胶软体机器人。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

一个“人”型物体在黑暗里“蹒跚前行”，一步两步，僵尸般的步伐节奏中充满了魔性……这可不是僵尸视频，也不是恶搞动画，主角是一个美韩研究小组设计制备的小型水凝胶软体机器人（soft robot）。小“人”有9.5毫米高，在施加电场的盐水中，21分钟内“行走”了12毫米。当电场反向时，它还可以改变方向。

水凝胶软体机器人。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

此项研究由美国新泽西州立罗格斯大学Howon Lee教授领导，他的课题组与韩国首尔大学的研究人员合作，通过基于数字光处理（DLP）的微3D打印技术实现的3D设计和精确尺寸控制，他们使用电活性水凝胶（electroactive hydrogel, EAH）制成了多种复杂3D结构并实现了3D致动。除了上面看到的软体机器人双向运动，他们还设计了一个可夹起物体的微型“手指”夹持器和一个可移动物体的“鬃毛”运输器，都可以实现在水中的物体运输。

“手指”夹持器和“鬃毛”运输器。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

与传统金属或硬塑料制造的机器人相比，软体机器人在处理精密操作和模拟生物运动方面表现更好。微型软体机器人可以用于设备检查、疾病诊断、组织工程以及将药物输送到身体的特定区域。既然称为机器人，就需要以某种方式进行控制，科学家一直在研究响应性柔性材料，可以对光、温度、电场、磁场或酸碱度等外部刺激做出响应，以达到这一目的。EAH可响应电场并产生较大形变，具有快速致动、易于控制和生物相容性好等特性，是颇受关注的电致动软材料。尽管已经开发了许多不同类型的EAH致动器，但是它们大部分都比较简单，这是因为目前常用的诸如切割、模铸和光刻的2D加工方法限制了EAH致动器的形状和设计。

基于DLP的投影微立体光刻（projection micro-stereolithography, PµSL）是一种快速、灵活、高分辨率的3D打印技术（下图c），因此，Howon Lee教授团队想到使用这种技术来制备EAH复杂3D结构（下图d）。本文EAH前驱体溶液包括丙烯酸作为单体、聚乙二醇二丙烯酸酯为交联剂和光引发剂，紫外固化即可制得水凝胶（下图a）。当施加电场时，EAH束会发生明显的弯曲变形，弯曲机制可以用Flory理论 ^[1] 和Donnan效应 ^[2] 来解释。水凝胶中的羧基在电解质中电离，产生大量的移动阳离子，使水凝胶带负电荷。当外加电场作用下，阳离子向阴极移动，在溶液中形成浓度梯度。EAH两侧的渗透压平衡被打破（π1 > π2），导致EAH向阴极弯曲（下图b）。

EAH制备及3D打印。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

研究者制备了四种厚度（0.25 mm、0.5 mm、1 mm和2 mm）的EAH，并对每种厚度进行弯曲致动实验。水凝胶厚度越薄，弯曲曲率越大，达到弯曲平衡的时间也越短。同时，改变光引发剂含量和控制电压，也可以改变EAH的弯曲程度。因此，通过精确尺寸控制的3D打印、变换电压就可以实现更加多样化和复杂的致动。

EAH弯曲变形实验。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

利用这一思路，研究者打印出软体机器人、“手指”夹持器和“鬃毛”运输器等软致动器。“手指”夹持器具有两个粗细不同的“手指”，一个较细（厚度0.25 mm），一个较粗（厚度1 mm）。由于厚度差别，较细“手指”的弯曲速度要比较粗“手指”快得多，通过控制电场就可以实现“抓紧”和“放松”的动作。“鬃毛”运输器由两组厚度为0.25 mm的“刷毛”构成，连接两组毛发的“刷柄”厚度为2 mm。当施加电场时，“刷毛”很快向“刷柄”的方向弯曲，从而推动物体，这时“刷柄”形变不明显；当电场保持一段时间后，“刷柄”才慢慢开始弯曲，达到运输小球的目的。改变电场，“刷毛”和“刷柄”各自向相反方向弯曲，如此重复，可以完成连续的运输小球的动作。

3D打印EAH“手指”夹持器和“鬃毛”运输器的复杂运动。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

软体机器人的运动则更加复杂，通过它的“身体”、“腿”和“手臂”的电场响应性协调弯曲致动来实现。由于结构的对称性，软体机器人的重心（下图中的符号x）最初位于结构的中心，使得机器人可以在溶液环境中用双腿“直立”（下图i）。当施加电场时，重心快速向后移动（~10 s），将锚定点移动到靠后的手臂（红色）（下图ii）。当整个结构在与靠后的手臂锚定发生变形时，靠前的腿（蓝色）向前滑动（下图iii）。当撤掉电场时，结构开始恢复到原始形状，但锚定点仍然放在靠后的手臂上（下图iv）。因此，靠前的腿可以进一步向前滑动，使整个机器人向前移动。在撤掉电场两分钟后，该结构可恢复其原始形状并再次用双腿“直立”（下图v）。如此往复，即可持续摩擦着“步行”前进。如果改变电场方向，软体机器人就可以向相反方向行进。

3D打印EAH软体机器人的复杂运动。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces

“我们的3D打印智能水凝胶在生物医学工程中具有巨大的应用潜力，因为它类似于人体中的组织，含有大量的水并且非常柔软。它还可以用于许多不同类型的水下装置，模拟像章鱼一样的水生生物，”Howon Lee教授说，“这项研究表明，3D打印技术可以拓展智能水凝胶的功能，让我们实现水凝胶前所未有的运动能力”。 ^[3]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Soft Robotic Manipulation and Locomotion with a 3D Printed Electroactive Hydrogel

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 17512-17518, DOI: 10.1021/acsami.8b04250

参考资料：

1.https://en.wikipedia.org/wiki/Flory%E2%80%93Huggins_solution_theory

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Gibbs%E2%80%93Donnan_effect

3.https://news.rutgers.edu/3d-printed-smart-gel-walks-underwater-and-moves-objects/20180515#.WvwnNqQvy70

（本文由小希供稿）