自然界生物體系通過連續(xù)對稱性破壞以及反饋調(diào)節(jié)機制，實現(xiàn)復(fù)雜、可控的運動機能。設(shè)計制備具有智能驅(qū)動、自動控制功能，且能夠自發(fā)持續(xù)運動的軟體機器人仍是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性難題，其難點在于難以復(fù)制生命體中的生物響應(yīng)、神經(jīng)控制、自我調(diào)節(jié)等特征。目前，大多數(shù)軟體機器人通過動態(tài)外界刺激操控對稱性破壞與回復(fù)，實現(xiàn)定向持續(xù)運動。一些軟體機器人依靠自遮擋效應(yīng)、震蕩化學(xué)反應(yīng)形成反饋回路，實現(xiàn)驅(qū)動、運動的自動控制；但是，這些運動通常是震蕩模式，設(shè)計具有平穩(wěn)、自發(fā)、持續(xù)運動能力的軟體機器人具有重要的科學(xué)意義。相對于幾何結(jié)構(gòu)的重要性，軟體機器人拓撲結(jié)構(gòu)在驅(qū)動控制以及自發(fā)運動中的作用少有涉及。
近日，浙江大學(xué)鄭強教授、吳子良教授與南方科技大學(xué)洪偉教授以響應(yīng)性水凝膠制備具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的軟體機器人，實現(xiàn)了靜態(tài)光照條件下的自發(fā)持續(xù)運動。研究表明拓撲結(jié)構(gòu)增強了局部變形的關(guān)聯(lián)性，纏繞關(guān)聯(lián)的自遮擋效應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)運動的自相似性共同賦予拓撲機器人自我調(diào)節(jié)功能，從而實現(xiàn)靜態(tài)刺激下的自發(fā)持續(xù)運動。
作者利用各向異性水凝膠制備了不同繩結(jié)結(jié)構(gòu)的拓撲機器人，包括圓環(huán)、三葉結(jié)、五葉節(jié)、所羅門結(jié)（Solomon link）、大衛(wèi)之星結(jié)（Star-of-David link），在靜態(tài)光照下實現(xiàn)了持續(xù)的滾動（rolling）、旋轉(zhuǎn)（rotation）等運動。研究了繩結(jié)尺寸、手性以及光照強度、方向等因素對拓撲機器人運動機能的影響規(guī)律。通過理論模型進一步證實，該自我調(diào)節(jié)的運動機制源于拓撲結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的預(yù)應(yīng)變、快速可逆的形狀變化以及自遮蔽效應(yīng)的協(xié)同作用。此類拓撲機器人可用于執(zhí)行特定任務(wù)，如旋轉(zhuǎn)齒輪、物品輸運等。
圖1.圓環(huán)凝膠機器人在靜態(tài)及動態(tài)光照下的連續(xù)運動。
圖2. 三葉結(jié)拓撲機器人在靜態(tài)光照下的連續(xù)運動。
圖3.多種繩結(jié)軟機器人的自發(fā)持續(xù)運動。
論文信息：
Qing Li Zhu, Weixuan Liu, Olena Khoruzhenko, Josef Breu, Wei Hong, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Animating hydrogel knotbots with topology-invoked self-regulation, 2024, 14, 300.
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44608-x
- 東華大學(xué)史向陽教授團隊：外泌體包裹的響應(yīng)性樹狀大分子納米凝膠可實現(xiàn)急性肺損傷的免疫調(diào)節(jié)和抗氧化聯(lián)合治療 2025-05-15
- 四川大學(xué)李建樹教授/謝婧副研究員、大連理工孫文研究員 AFM：一種具有pH響應(yīng)性和軟骨滲透能力的超分子納米顆粒治療骨關(guān)節(jié)炎 2025-04-30
- 華東理工林紹梁/靳海寶團隊、上海交大周永豐 Angew：通過調(diào)節(jié)偶氮苯對位取代基的電子效應(yīng)制備具有可控光響應(yīng)性的超薄聚合物囊泡 2025-02-22
- 哈佛大學(xué)鎖志剛教授團隊 Nat. Commun.：彈且韌的物理結(jié)構(gòu)域交聯(lián)超長鏈水凝膠 2025-05-23
- 西南林大杜官本教授、楊龍研究員團隊 JB&B：利用竹纖維素基碳納米材料抑制裂紋擴展制備具有粘附性能的超強超韌水凝膠 2025-05-23
- 東華大學(xué)熊佳慶/周欣然 Adv. Mater.：光熱響應(yīng)氣凝膠-水凝膠二元仿生體系實現(xiàn)全天候水伏發(fā)電 2025-05-21
- 南華大學(xué)魏華/喻翠云/張海濤團隊 CRPS：環(huán)刷拓撲結(jié)構(gòu)球形核酸通過中性粒細胞極化增強肝細胞癌基因-免疫治療 2025-05-04
