会行走、能搬货，还会 “跳街舞”。近日，美国西北大学发明出一款软体机器人，该机器人看起来像一只剥开的柠檬皮，它能在水箱中运动，并拥有多种本领，比如搬运物品、催化化学反应、输送治疗剂等，而它只需光场和磁场的驱动，便可实现上述功能。
图 | 正在“卸货”的机器人
DeepTech 联系到该研究论文的共同第一作者袁航，这位来自重庆的 26 岁小伙表示，他主要负责研究中的理论与模拟部分，其目前在西北大学 Olvera de la Cruz 实验室做研究，正在读应用物理专业 PhD 的第四年。
该研究论文于近日发表在 Science Robotics ，题目为 “Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields。研究主要由西北大学 Stupp 团队、以及袁航所在的 Olvera de la Cruz 团队完成。
图 | 论文详情页（来源：Science Robotics）
袁航参与研究的这款机器人，外表酷似柠檬，但它身上 90% 的成分都由一种名为水凝胶的仿生材料构成。如大家所知，传统机器人通常像个笨重的机器，上面有很多硬件和电子元件，因此它们无法和含人体在内的软结构进行安全互动。
而合作团队设计的 “柠檬片” 能在微小空间内、水下或地下执行任务。该机器人的外观非常小，直径约 1 厘米，只有大拇指指甲盖那么大，但它能以正常人相同的速度行走、拿起和搬运东西，从能力上看颇具生命属性。
图 | 正在爬坡的机器人
该研究的痛点是基于，当前软体机器人具有很多优点，但它们的制造工艺相对简单。而随着 3D 打印的兴起，更复杂、更便宜的软体机器人材料有望诞生，而由于软体机器人柔性较高，在狭窄工作环境中可发挥出独有的优势，因此业界一直盼望这类机器人可早日投入应用。
然而，目前所有软体机器人均存在一个巨大问题，即为确保机器人的整体柔性，供能和控制部分通常需要外置。因此机器人在移动时，都会拖着管子或电线，这严重影响了机器人自身活动的 “自由性”。
而袁航所在团队则巧妙地解决了上述问题，他们使用了轻盈的水凝胶材料，来作为机器人的外表。机器人内部包裹着镍纳米线支架，并含有特殊设计的聚合物分子，这种设计让它能对外界磁场产生响应。在保持柔性的同时，它还可摆脱硬件、液压或电池的束缚。
光和磁场的结合，让机器人实现行走或滚动
袁航表示，机器人用的水凝胶材料具有双重响应，它既能对光响应，也能对磁场响应。在水凝胶的基础上，该团队加入一种对光敏感的分子，这种分子一旦受到光的照射，就会从亲水性变成疏水性， 这时水凝胶就会收缩、并把水排出去，机器人随之就会产生光控制的弹性形变。
另一方面，袁航和团队在合成材料时，把带铁磁性的纳米线和水凝胶单分子放到一起，加上磁场后，就能把纳米线排列起来，使得它们能沿特定方向排列。
同时，在合成水凝胶的过程中，纳米线也会被固定到水凝胶里面，这样水凝胶不仅能对光产生效应，由于其内部的磁性纳米线，也使得它能被外加磁场控制。
图 | 水凝胶机器人在旋转磁场下执行任务
当施加外磁场，水凝胶内部固定的磁性纳米线就会向水凝胶施加应力，从而让水凝胶产生形变，基于该原理就能控制机器人行走或者滚动。概括来说，这是基于磁场和弹性之间的一种耦合。
这种化学合成，除让机器人实现行走和滚动之外，还能让它通过狭窄通道和复杂路线。当暴露在 LED 光下时，机器人的分子会排斥水分并让水分子逸出，其自身也会从平面十字形状、变成站立姿势，此时它的 “腿” 就像肌肉一样紧绷。
由于机器人内嵌的镍骨架具有铁磁性，因此可通过磁场使机器人的腿部移动。为了驱动机器人，该团队把外加磁场编程为特定的序列，这些序列能让机器人沿着所需路径运动，再加上精确的计算，就可让机器人沿着预设的任意路径进行运动。
图 | 光触发在旋转磁场下行走
袁航说，此前机器人多数用 3D 打印，因此在材料合成时，磁场方向基本通过磁化就会固定下来，所以要改磁化方向就必须得加磁场。但是该团队加入了光场，因此可通过光场来调控磁化方向，磁化方向一变，机器人对磁场的响应也会随之改变。
据悉，在该团队中的 Stupp 组于今年早些时候发表的一项研究中，机器人材料可以在几分钟内实现弯曲，并以每 12 小时一步的缓慢速度爬行。而现在的“柠檬片”可在磁场的响应下每秒迈出大约一步，可操控性更强，就像控制玩具车一样。
一旦到达目的地，该机器人就可通过倒转形状来卸载货物，或者用跳街舞一样的旋转动作来脱落和释放较粘稠的物体。
此外，该软体机器人还可通过分子设计，来识别并主动清除特定环境中不需要的颗粒，其运动速度也比此前诞生于同一实验室的软性机器人要快得多。
图 | 水凝胶机器 人响应纳米线取向的行走模式
对于上述功能的实现，袁航告诉 DeepTech，在机器人进行转向与轨迹设计实验时，他遵循磁弹性的理论，搭建了数值计算模型，并基于机器人感光后的形状与外加磁场强度，预测出了机器人相应的运动轨迹。
机器人在运动时，需要一个很好的数学模型，所以袁航先在模型中计算，需要怎样的磁场来实现转向。然后，他和团队用在模型上计算出来的磁场，加载在实验室的设备上面，最终发现了和模型预言相当吻合的行为。
可做药物递送和容器反应
袁航认为，未来的机器人版本可能更小，甚至可以达到微米级别，届时就可在微观层面上操作，比如用于在病人体内的定向输送药物，将生物治疗剂或细胞精确地输送到特定组织。
除递送药物之外，由于机器人中用的水凝胶具有亲水性，所以它和一些生物组织非常接近，也就是具备一定软度，因此可把它作为一种反应容器。比如要到达人体内一些不好到达的特殊位置，就可以让机器人过去。
因为它和水有很好的兼容性，那就可以把一些化学分子扩散到机器人中来进行反应。而机器人在合成时，还可加入一些特定的靶向分子，这样就能在机器人上面进行反应。
图 | 旋转磁场下的转向运动和路径
概括来说，该机器人是基于模仿生物的新材料设计，它不仅能实现更快的反应，还能实现更复杂的功能。除改变形状之外，还可给其添加腿部，并给予它更多的行走步态和更智能的行为。届时机器人就会具有高度的通用性，并能用于不同的任务。
理论上，该机器人还可以被编程为 “集群” 陈列，并去模仿自然界中鸟类、细菌群落或海洋鱼群，扩大规模后它们能处理更多任务。例如，在伤口缝合时，可以设计上百万个 微型机器人，让它们执行类似于组织细胞、或组织细菌群的任务。
袁航表示，该机器人在对外界刺激产生的响应方面，依旧非常值得探索。 此外，材料的几何还很简单，未来他们可能会设计出外观更精巧的机器人。
此外，当机器人系统变得很小的时候，周围环境的热涨落、周围流体的粘滞性，都是需要考虑的因素。故此，袁航和团队还需基于目前材料，去产生新的驱动方案，届时机器人有望实现更丰富的操控。
但无论如何，本次研究告别了此前机器人只能单一响应的局限性，是少有可实现既有光响应、又有磁场响应的机器人。
据袁航表示，他本科就读于上海交通大学致远学院物理班，该学院专注于基础学科，这让他受到了良好的训练。
本科毕业后，他来到美国西北大学就读应用物理专业 PhD。谈及出国留学，袁航说他和当前导师在风格上比较适合，在对方指导下，他也有机会接触到比较好的课题。
而在本次研究中，他主要负责理论与模拟部分。另一位共同第一作者李闯，是一位 85 后，博士毕业于清华大学，目前在西北大学 Stupp 组进行博士后研究工作，其主要负责材料部分和实验部分。
对于该合作，袁航表示，本次研究属于理论和实验结合得比较好的例子，而这在科研中并不容易遇到。
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