自調節無限可編程人造纖毛問世相關研究發表在《自然》上

2022-05-09 10:06:17來源：科技日報

多年來，科學家們一直在嘗試為微型機器人系統設計微小的人造纖毛，以期該系統可執行復雜運動，包括彎曲、扭曲和反轉。美國哈佛大學研究人員開發了一種單材料、單刺激的微結構，甚至可以超越活纖毛。這些可編程的微米級結構能用于包括柔性機器人、生物相容性醫療設備，甚至動態信息加密等一系列應用。該研究近日發表于《自然》雜志上。

構建比人類發絲還小的微結構，通常需要多步制造過程和不同的刺激來產生復雜的運動，這限制了它們的廣泛應用。

哈佛大學工程與應用科學學院化學與化學生物學教授喬安娜·艾森伯格稱，能夠進行各種程序化運動的自適應、自調節材料，代表了一個重要創新，這一領域的進展會影響各種設計材料和設備運行方式，包括機器人、醫學和信息技術。

與之前主要依靠復雜材料來實現可重構元件的可編程運動不同，艾森伯格團隊設計了一種由單一材料(光響應液晶彈性體)制成的微結構柱。鑒于液晶彈性體基本結構的單元排列方式，當光線照射時，其會重新排列且形狀發生改變。

隨著這種變化會發生兩件事。首先，光線照射的地方變得透明，允許光線進一步穿透到材料中，再導致額外的變形;其次，隨著材料變形和形狀移動，柱子上的一個新點暴露在光線下，導致該區域也改變了形狀。這個反饋回路，推動微結構進入運動循環。

研究人員表示，“內部和外部反饋循環為我們提供了一種自我調節的材料。一旦你打開燈，它就會自行完成所有工作。當燈關閉時，材料會恢復到原來的形狀”。

材料的特定扭曲和運動隨其形狀而變化，使這些簡單的結構可“無休止地”重新配置和調整。研究人員使用模型和實驗展示了圓形、方形、L形和T形以及棕櫚樹形結構的運動，并嘗試了材料可調整的所有其他方式。

研究表明，通過調整一系列參數來編程，可以進行包括照明角度、光強度、分子排列、微觀結構幾何形狀、溫度以及照射間隔和持續時間的變化。

艾森伯格稱，個體和集體運動的巨大設計空間，意味著柔性機器人、傳感器和強大信息加密系統未來潛在的變革性。

總編輯圈點

無論是在科幻作品中，還是在現實生活中，機器人給我們留下的印象大都冷冰冰、硬邦邦的，動作也十分機械。這并不能完全滿足我們對機器人的定義和期待。在這一背景下，柔性機器人相關研究應運而生。采用更柔、更薄、更纖細甚至可編程的各種柔性材料，是讓機器人變得更加柔軟、小巧、靈活、智能的重要途徑之一。形式、功能各異的柔性機器人可以執行傳統機器人所不擅長的眾多任務，彌補了傳統機器人之不足，也在不斷拓展我們對機器人的理解和認知。(張夢然)

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