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  無(wú)定形軟體機(jī)器人指的是可以根據(jù)所處的地理環(huán)境，自由任意的改變其結(jié)構(gòu)和外觀，具有運(yùn)動(dòng)能力、變形能力和傳感測(cè)量能力的一類機(jī)器人。其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域也有著自己獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無(wú)定形軟體機(jī)器人在可控藥物釋放以及植入式醫(yī)療機(jī)器人等方面有著巨大的潛力，微型軟體機(jī)器人可以通過(guò)注射方式隨血液進(jìn)入血管，借助傳感元件和包載藥物，對(duì)血液和血管道進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)可控藥物釋放等功能。安全領(lǐng)域，無(wú)定形軟體機(jī)器人能有進(jìn)入人類無(wú)法進(jìn)入或者危險(xiǎn)的環(huán)境，并對(duì)環(huán)境中物理、化學(xué)和生物等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在排險(xiǎn)、探傷、偵查、軍事安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

  柔性電子技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速。柔性電子器件具有超薄、柔性、可延展的類皮膚特性，并根據(jù)集成的元件提供復(fù)雜的功能，如傳感，顯示，計(jì)算以及能量收集和存儲(chǔ)等。柔性電子器件主要貼附于或者集成在有機(jī)體、機(jī)器和電子產(chǎn)品上工作，這些依附物往往位置固定，其活動(dòng)范圍受限。受自然界水母等生物有機(jī)軟體的啟發(fā)，軟體機(jī)器人可以通過(guò)反復(fù)的形狀改變進(jìn)行可逆變形，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、抓取、運(yùn)輸和觸覺(jué)感應(yīng)等功能。然而現(xiàn)有軟體機(jī)器人的這些功能實(shí)現(xiàn)主要依賴于傳統(tǒng)的剛性傳感元件和電路，還沒(méi)有做到機(jī)體和功能電路的全柔性構(gòu)造。因而，一種全柔的功能軟體機(jī)器人亟待實(shí)現(xiàn)，以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)生活的多元化需求。

  針對(duì)以上問(wèn)題，天津大學(xué)精儀學(xué)院生物醫(yī)學(xué)柔性電子實(shí)驗(yàn)室的黃顯教授受自然界中身體極為柔軟的水母、輪蟲(chóng)等腔腸動(dòng)物或浮游生物的啟發(fā)，結(jié)合柔性電子的研究背景，提出一種全新的無(wú)定形軟體機(jī)器人-智能液滴，利用液滴和柔性電子器件實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人輸送、運(yùn)動(dòng)、變形、傳感測(cè)量和多任務(wù)執(zhí)行（圖1a）。研究團(tuán)隊(duì)利用液滴的柔軟無(wú)定形特性和柔性電子器件的超薄柔軟特性，構(gòu)建了一種新型的軟體機(jī)器人-智能液滴，首次實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)載體和功能測(cè)量器件的全柔性化和可編程控制。在該研究中，團(tuán)隊(duì)基于微納加工技術(shù)制作出超�。ê穸刃∮�10微米）多功能柔性電子器件（圖1b），利用液滴浮力和表面張力等特性，將柔性電子器件懸浮于液滴表面，通過(guò)改變液滴種類和器件設(shè)計(jì)（圖1c,d,e），實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境和控制條件下智能液滴的運(yùn)動(dòng)、變形和傳感測(cè)量等功能。

圖1智能液滴基本概念圖

  研究團(tuán)隊(duì)在水液滴中摻入了四氧化三鐵納米顆粒，在磁場(chǎng)條件控制下，智能液滴可以以226cm/min的速度進(jìn)行可編程化運(yùn)動(dòng)（圖2a）。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遇到細(xì)小夾縫、凸起表面時(shí)，智能液滴可以憑借全柔性化構(gòu)造，改變自身形狀通過(guò)障礙物，到達(dá)指定位置后還可以恢復(fù)成原來(lái)的形狀，展現(xiàn)了良好的運(yùn)動(dòng)和變形特性。不僅如此，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)（空氣介質(zhì)轉(zhuǎn)為油性介質(zhì)），智能液滴借助油水不相容原理，依舊可以在油性環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)（圖2a,b,c,d,e）。在此運(yùn)動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)能力的基礎(chǔ)上，智能液滴可以將電子器件投遞至目標(biāo)指定位置并完成功能組裝（圖2f）。

圖2智能液滴可編程運(yùn)動(dòng)及變形圖

  除了具備良好的運(yùn)動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)能力之外，智能液滴還可以對(duì)環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和采集。團(tuán)隊(duì)在柔性電子器件上集成了多種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光學(xué)傳感器、應(yīng)力傳感器、葡萄糖傳感器、食品毒素傳感器和無(wú)線能量采集模塊。實(shí)現(xiàn)了智能液滴靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下的傳感測(cè)量、相變和環(huán)境能量采集（圖3）。

圖3 智能液滴靜態(tài)/動(dòng)態(tài)傳感測(cè)量圖

  將液滴與柔性電子相結(jié)合是一種全新的構(gòu)建全柔性軟體機(jī)器人的方法，該方法為全面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下可獨(dú)立工作的軟體機(jī)器人奠定基礎(chǔ)，在國(guó)際上尚未有與之類似的研究，體現(xiàn)了其先進(jìn)性和顛覆性。同時(shí)，這種方法給時(shí)間和勞動(dòng)消耗型研究帶來(lái)了便利，高通量可編程控制的特點(diǎn)使其可應(yīng)用于基因測(cè)序、化學(xué)合成、藥物遞送和微組裝等需要精確操控和持續(xù)檢測(cè)領(lǐng)域，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

  相關(guān)工作發(fā)表已于10月30日線上發(fā)表于工程科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)的國(guó)際期刊Advanced Science（影響因子15.804）。博士研究生周明行為本文的第一作者，黃顯教授為本文的通訊作者，實(shí)驗(yàn)室的徐航博士為本文的共同通訊作者。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 61604108），天津自然科學(xué)基金（No.16JCYBJC40600）和天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金的支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201901862