受喷瓜启发他们给微型机器人装上“小火箭”

  喷瓜是一种葫芦科植物，当果实成熟并受到触碰或振动等外力时，果皮就会破裂，其种子和粘液就像“弹丸”一样被喷射出去，距离还可以达到5米之远，被誉为自然界中的“小火箭”。

  受到植物喷瓜的启发，近日，来自香港中文大学工程学院机械与自动化工程学系教授张立团队，联合浙江大学研究员潘程枫和卡内基梅隆大学教授Carmel Majidi团队研发了一种可以大幅度的提高微型机器人功率输出的技术，即破裂诱导的功率放大机制，并开发出一种光驱动的水凝胶弹射器，其在功率输出和运动性能方面，均远超现存的常规微型工程机械系统。相关成果发表于《自然—材料》。

  审稿人对该成果评价道，这是一项非常有创意的工作，填补了在软体机器人领域中实现功率放大的空白。研究团队提出的水凝胶弹射器具有令人印象非常深刻的性能，是在软材料和结构中实现快速运动的重要进步。

  微型机器人在精准医学、环境工程、人机一体化智能系统、生命科学、人工智能等领域有着广阔的应用前景。然而，当前微型机器人由于微小的尺寸无法承载更多的附属设备，且用于制作微型机器人的系列软材料亦存在能量储备有限、响应速度慢等问题，这些挑战使得微型机器人没办法实现更大的功率输出，并限制了其运动能力。

  自然界中，植物的生长结构和特性常常会给科学研究带来新的启示和发现。“我们在一次偶然的机会中，发现喷瓜的种子传播是通过液压积累-破裂诱导弹射的方式，将种子喷射到很远的地方。”论文通讯作者、香港中文大学教授张立在接受《中国科学报》采访时回忆道。

  他们通过一定的调查研究之后发现，在喷瓜的生长过程中，它的果肉转化成黏性液体物质，导致果壁在压力下显著拉伸，弹性能量累积，当达到临界压力，喷瓜顶部会破裂，并以很高速度和加速度将种子喷射出去。

  这使研究团队意识到，喷瓜的种子传播方式，或许是一种典型的、高性能的软材料基质功率放大的案例。基于这一启发，张立团队开始构想，是不是能够将喷瓜的特性运用在软体机器人中，从而解决目前该领域的功率放大的难题，赋予机器人更好的运动性能。

  2022年3月，张立真正开始带领团队开启微型机器人功率放大的研究。经过两年多的努力，他们联合浙江大学、美国卡内基梅隆大学的研究团队，开发出适用于软体机器人的破裂诱导功率放大策略，并开发出了光驱动水凝胶弹射器，实现了其运动性能和功率输出超越常规微型工程系统。

  所谓破裂诱导功率放大策略，就像是吹破气球的过程，气球不断膨胀，弹性能不间断地积累，直到达到气球的弹性极限，气球被吹破。这个瞬间释放积累的弹性能的过程就实现了功率放大。

  在研究过程中，最困难和关键的部分便是在于底层原理和材料体系的构建。张立和记者说：“我们通过对材料的机械性能、能量的产生方式、能量释放控制等各个要素都进行了十分细致的讨论和交流，并对每一个潜在的影响因素进行数百次的测试和分析，直到得到准确的结论，最终得到破裂诱导功率放大的水凝胶材料体系。”

  那么，如何将这一体系运用在微型机器人中？张立团队基于破裂诱导功率放大策略，制备出了直径为7毫米、厚3毫米的水凝胶弹射器。该弹射器由高韧度和弹性的水凝胶制成，并在其中嵌入了可进行光热转换的石墨烯纳米片。当弹射器受到近红外线照射时，石墨烯便会迅速加热，让水凝胶内部的水分汽化，以致弹射器的体积不断膨胀、变形，产生大量的能量。当能量积累至极限时，会撑破弹射器底部，并将累积的能量于0.3毫秒内瞬间转化为动能释放。

  测试结果为，研究团队研发的光驱动水凝胶弹射器起步速度约为7.5米每秒，超越了其灵感来源喷瓜的种子喷射时的瞬时速度（2.69至3.06米每秒），加速度为地球表面重力加速度的2500倍，而垂直发射距离可接近两米，是弹射器长度的643倍。这种新的功率放大技术的运动性能和功率输出能力均远超现存的常规微型工程系统。

  作为一门新兴交叉学科，微型机器人的研发与制造涉及物理、化学、生物、力学、材料学等多个学科，其研发仍存在几个挑战：一是亟需开发更加友好、更具生物相容性的新型材料，以构建微型机器人所具备的应用功能；二是微型机器人的运动性能和环境交互能力，甚至是更便捷的无线驱动能力，还有待提升；三是在微小尺寸中实现更高程度的集成化方面任旧存在挑战。

  一直以来，张立带领的研究团队在探索微型机器人在生物医学领域中的应用有着非常丰富的研究经验。他表示，目前这项研究更偏向基础研究和理论突破，但其应用前景广阔。

  “这项研究使微型软体机器人通过功率放大实现一个较为可观的力和功率的输出，并赋予微型软体机器人极好的超快运动能力。未来，我们大家都希望将其应用于驱动医疗微型软体机器人，以实现生物工程应用，例如深层组织的取样，支架的递送和部署等等。”

  张立表示，微型机器人学是一门集众多重大科学问题与前沿热点技术的新兴交叉学科，涵盖物理、化学、生物、力学、材料学、机器人学等多个学科。希望能够通过该研究，能够启发更多领域内的学者，一同推动微型机器人的研发进步。