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新聞動態(tài)

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由磁場和光驅(qū)動的軟體機(jī)器人來了，旋轉(zhuǎn)跳躍不停歇~

說起機(jī)器人，你腦海中浮現(xiàn)的畫面是這樣的？

抑或是構(gòu)造更精巧的？

而現(xiàn)在，也許只需要一種幾厘米長的柔軟材料，你就能獲得一個“好動”的仿生軟體機(jī)器人。

近日，美國西北大學(xué)的研究人員首次研制出了一種仿生材料，其本身可以作為一種軟體機(jī)器人，它不僅能夠在液態(tài)環(huán)境中行動自如，完成拾取和運輸物體等任務(wù)；而且由從磁場和光驅(qū)動，精確度和敏捷性都得到很大提升，其前進(jìn)速度達(dá)到了每秒一步，這甚至與人類步伐速度相當(dāng)！

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研究人員表示，這類仿生軟體機(jī)器人很可能會被用作生產(chǎn)燃料和藥物、海洋環(huán)境清理或變革性醫(yī)療的“智能”微觀系統(tǒng)中。
簡單點，再簡單點
一般來說，傳統(tǒng)的機(jī)器人都屬于重型機(jī)械，它們配有大量的硬件和電子設(shè)備，且無法與包括人類在內(nèi)的軟體組織結(jié)構(gòu)安全地交互。

而此次的軟體機(jī)器人，大小只有幾厘米長，內(nèi)嵌有鎳制骨架使其能夠響應(yīng)外部磁場。我們可以將其想象成帶有四條腿的章魚，且占其總重量90%的都是水，它沒有任何復(fù)雜的硬件或是液壓、電力組件。

因此，該軟體機(jī)器人能夠不受體積限制，在水下或地下的微小空間中執(zhí)行重要任務(wù)。

那么構(gòu)造如此簡單的仿生材料，是如何像機(jī)器人一樣行走甚至還能跳舞的呢？

首先，該軟體機(jī)器人移動的高精確度和敏捷性的關(guān)鍵在于其內(nèi)部充滿水的結(jié)構(gòu)和嵌入的鐵磁性排列的鎳制骨架。通過這種方式，我們可以將這種軟體機(jī)器人視為一個分子網(wǎng)絡(luò)（分子網(wǎng)絡(luò)指在生物系統(tǒng)中包含很多不同層面和不同組織形式的網(wǎng)絡(luò)）。

研究團(tuán)隊使用化學(xué)合成法來編程該材料的分子以響應(yīng)光照。當(dāng)暴露在光下時，機(jī)器人的材料分子會變得疏水（排斥水），導(dǎo)致內(nèi)部水分喪失，從而使材料的液體稠度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能響應(yīng)磁場。這種轉(zhuǎn)換使機(jī)器人能夠繼續(xù)工作，并從原本的平面形態(tài)彎曲到“站立”狀態(tài)。

圖 | 設(shè)計用于光和磁場耦合響應(yīng)的水凝膠（來源：Science Robotics）
研究人員還發(fā)現(xiàn)，彎曲行為會使材料更加快速地響應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁場，激活其快速行走的能力。而當(dāng)光線變?nèi)鯐r，分子恢復(fù)到原來的親水狀態(tài)，機(jī)器人也隨之恢復(fù)平面形態(tài)。但當(dāng)接收到 LED 光照信號時，它會隨時準(zhǔn)備在磁場作用下進(jìn)入新的活動周期。

當(dāng)暴露在旋轉(zhuǎn)磁場中時，機(jī)器人呈彎曲狀態(tài)，其嵌入骨架會對分子網(wǎng)絡(luò)施加循環(huán)力并激活它的“腿”。旋轉(zhuǎn)磁場具有可編程性，因此，研究人員可以按照自己的需要來導(dǎo)航機(jī)器人沿著預(yù)定的路徑運動。

研究人員表示：“我們可以計算出它對光和磁場的響應(yīng)效率。這使我們能夠非常準(zhǔn)確地預(yù)測和規(guī)劃其行走軌跡�！�

當(dāng)機(jī)器人需要在液態(tài)環(huán)境下運輸某樣物體時，它可以通過行走或滾動的方式來拾取貨物并將其送到目的地。到達(dá)目的地后，它要么通過倒立讓貨物輕輕地從自己身上上滑下來，要么開始“手舞足蹈”（可以稱之為“斷裂舞”）來移除一些難以自行掉落的物體。
高度通用性與多樣化的用處
西北大學(xué)材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程教授 Samuel I. Stupp 說：“這種仿生物的新材料設(shè)計不僅響應(yīng)速度更快，而且還能發(fā)揮出更復(fù)雜的功能。我們可以通過改變其形狀、增加‘腿’的數(shù)量，讓這些無生命的材料獲得新的行走步態(tài)和更智能的行為。這意味著它們具備較高的可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不同的任務(wù)。”

研究人員將這種軟體機(jī)器人放在裝滿水的水箱里進(jìn)行試驗，結(jié)果證明，這是一種可于液態(tài)環(huán)境中使用的理想機(jī)器人。研究人員還計劃實現(xiàn)可定制的微型機(jī)器人運動，用來幫助催化各類化學(xué)反應(yīng)，然后得到一些有價值的產(chǎn)物。

此外，該機(jī)器人也可以用作完成分子級別的任務(wù)，例如被設(shè)計成能夠識別和主動去除特定環(huán)境中不需要的分子，或者使用它們的機(jī)械運動來精確地將生物治療或特定細(xì)胞傳遞到指定的組織中。

Stupp 和 Olvera de la Cruz 還設(shè)想，這些軟體機(jī)器人材料有可能被用于為許多應(yīng)用創(chuàng)造原材料，包括化學(xué)生產(chǎn)、用于環(huán)境重要技術(shù)的新工具或用于高度先進(jìn)醫(yī)學(xué)的智能生物材料。

Stupp 說：“最終，我們希望制造能夠以相互協(xié)作的方式完成復(fù)雜任務(wù)的微型機(jī)器人族群。我們可以對它們進(jìn)行分子調(diào)整，使它們能夠像自然界中的鳥類和細(xì)菌菌一樣相互作用，或模仿海洋中的魚群結(jié)伴前行。該材料具有高度的通用性，甚至可能實現(xiàn)很多想象之外的應(yīng)用�！�

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