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（圖片摘自Nano Today官網(wǎng)）

  機(jī)器人技術(shù)正在改變工業(yè)和人類(lèi)的日常生活。機(jī)器人作為一個(gè)交叉學(xué)科，受到了機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)等各學(xué)科的高度關(guān)注，推動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用從微觀/納米尺度向宏觀尺度發(fā)展。傳統(tǒng)剛性機(jī)器人在不損壞脆弱物體的情況下對(duì)其進(jìn)行操作仍然具有挑戰(zhàn)性，限制了其在精細(xì)任務(wù)中的應(yīng)用。與剛性機(jī)器人不同，軟體機(jī)器人在受到各種機(jī)械力時(shí)具有變形和適應(yīng)性，在一些地形復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景中具有優(yōu)勢(shì)。其中，水凝膠機(jī)器人是典型的軟體機(jī)器人(圖1a)。

  天然生物為設(shè)計(jì)和制造具有自主和智能行為的水凝膠機(jī)器人提供了豐富的靈感，包括運(yùn)動(dòng)、感知和對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。研究特定的身體結(jié)構(gòu)，并將這些結(jié)構(gòu)整合到機(jī)器人中，這是很重要的一點(diǎn)。小型化是另一個(gè)關(guān)鍵方面，它拓展了傳統(tǒng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍，使機(jī)器人能夠以微創(chuàng)甚至無(wú)創(chuàng)的方式進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)器人難以到達(dá)的區(qū)域，例如在地震后的廢墟中尋找傷員，在人體內(nèi)投放藥物等。仿生微型軟體機(jī)器人近年來(lái)逐漸成為一個(gè)熱門(mén)的研究課題。例如，軟體動(dòng)物可以根據(jù)來(lái)自環(huán)境的生物物理和化學(xué)信號(hào)的復(fù)雜協(xié)調(diào)來(lái)進(jìn)行多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，包括可重構(gòu)變形、游泳、尺蠖狀運(yùn)動(dòng)和蠕動(dòng)。螞蟻能夠通過(guò)局部交流，自組織(指自身改變形態(tài)和結(jié)構(gòu))成各種復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，這有助于它們合作完成個(gè)體能力之外的復(fù)雜任務(wù)。通過(guò)研究和模擬生物有機(jī)體的這些特殊生物結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行為、通信機(jī)制和環(huán)境相互作用，研究人員設(shè)計(jì)和制造了具有多模態(tài)變形和運(yùn)動(dòng)的軟水凝膠機(jī)器和機(jī)器人，用于貨物運(yùn)輸、藥物輸送和傳感等廣泛應(yīng)用。

圖1. (a) 機(jī)器人、軟機(jī)器人、水凝膠機(jī)器人和仿生水凝膠機(jī)器人之間的關(guān)系示意圖。(b) 幾種典型的受自然界啟發(fā)的微型水凝膠軟體機(jī)器人。

  近日，深圳大學(xué)王奔教授、吉林大學(xué)牛士超教授、韓志武教授與湖北大學(xué)郭志光教授在Nano Today上發(fā)表了題為《Bioinspired hydrogel actuator for soft robotics: Opportunity and challenges》的綜述。在這篇綜述中，對(duì)于受自然界各種生物啟發(fā)的水凝膠機(jī)器人進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹，所涉及的仿生原型包括水黽、魚(yú)、青蛙、蠕蟲(chóng)、水母、水蛭、花、食肉植物、含羞草和微生物等(圖1b)。該綜述強(qiáng)調(diào)了各類(lèi)不同的動(dòng)作模態(tài)及其優(yōu)勢(shì)，如游泳、爬行、擺動(dòng)、行走和翻滾。隨后，總結(jié)了水凝膠機(jī)器人在藥物輸送、傳感、細(xì)胞輸送、貨物運(yùn)輸等方面的應(yīng)用(圖2)。最后，該綜述討論了當(dāng)前這一研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的展望，重點(diǎn)介紹和討論了未來(lái)研究趨勢(shì)和對(duì)未來(lái)研究的重要考慮。 

圖2. 仿生水凝膠微型軟體機(jī)器人的幾種典型應(yīng)用。

  仿生水凝膠微型機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并在體外和體內(nèi)都取得了良好的效果。作為水凝膠微型機(jī)器人復(fù)制自然生物過(guò)程的重要起點(diǎn)，材料科學(xué)的快速發(fā)展有助于將自然靈感融入人工材料，從而增加了臨床應(yīng)用的可能性。因此，需要進(jìn)行更深入的研究，將合成方法和組裝技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)具有最佳物理化學(xué)性質(zhì)和生物功能的仿生水凝膠微型機(jī)器人。此外，結(jié)合個(gè)性化的生物因素可以克服與水凝膠轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用相關(guān)的成本、儲(chǔ)存壽命短、降解和其他挑戰(zhàn)等問(wèn)題。此外，精密醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)融入仿生水凝膠微型機(jī)器人，從而更好地適應(yīng)患者的病理狀態(tài)。大自然提供了廣泛的生物靈感，預(yù)計(jì)仿生水凝膠微型機(jī)器人將給精密醫(yī)學(xué)帶來(lái)革命性的變化。

  論文信息：

  Bioinspired hydrogel actuator for soft robotics: Opportunity and challenges

  通訊作者：王奔（深圳大學(xué)）；牛士超（吉林大學(xué)）；韓志武（吉林大學(xué)）；郭志光（湖北大學(xué)）

  其他作者： Yunrui Chen（陳云瑞）,  Yabin Zhang （張亞斌），Hongyuan Li（李宏源），Jie Shen（沈杰），Fangfei Zhang（張芳菲）, Jiajun He （何家俊）, Junzhu Lin （林俊柱）

  Nano Today 49 (2023) 101764 

  Publication Date:

  https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.101764

  Copyright © 2023 Elsevier

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223000130