“柠檬皮”软体机器人!26岁重庆小伙联合发明光磁场机器人,可爬坡、可卸货,有望用于体内药物递送|专访

机器人
“柠檬皮”软体机器人!26岁重庆小伙联合发明光磁场机器人,可爬坡、可卸货,有望用于体内药物递送|专访
麻省理工科技评论 2020-12-18

2020-12-18

该机器人还可以被编程为 “集群” 陈列,并去模仿自然界中鸟类、细菌群落或海洋鱼群,扩大规模后他们能处理更多任务。
机器人
该机器人还可以被编程为 “集群” 陈列,并去模仿自然界中鸟类、细菌群落或海洋鱼群,扩大规模后他们能处理更多任务。

会行走、能搬货,还会 “跳街舞”。近日,美国西北大学发明出一款软体机器人,该机器人看起来像一只剥开的柠檬皮,它能在水箱中运动,并拥有多种本领,比如搬运物品、催化化学反应、输送治疗剂等,而它只需光场和磁场的驱动,便可实现上述功能。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 正在“卸货”的机器人

DeepTech 联系到该研究论文的共同第一作者袁航,这位来自重庆的 26 岁小伙表示,他主要负责研究中的理论与模拟部分,其目前在西北大学 Olvera de la Cruz 实验室做研究,正在读应用物理专业 PhD 的第四年。

该研究论文于近日发表在 Science Robotics ,题目为 “Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields。研究主要由西北大学 Stupp 团队、以及袁航所在的 Olvera de la Cruz 团队完成。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 论文详情页(来源:Science Robotics)

袁航参与研究的这款机器人,外表酷似柠檬,但它身上 90% 的成分都由一种名为水凝胶的仿生材料构成。如大家所知,传统机器人通常像个笨重的机器,上面有很多硬件和电子元件,因此它们无法和含人体在内的软结构进行安全互动。

而合作团队设计的 “柠檬片” 能在微小空间内、水下或地下执行任务。该机器人的外观非常小,直径约 1 厘米,只有大拇指指甲盖那么大,但它能以正常人相同的速度行走、拿起和搬运东西,从能力上看颇具生命属性。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 正在爬坡的机器人

该研究的痛点是基于,当前软体机器人具有很多优点,但它们的制造工艺相对简单。而随着 3D 打印的兴起,更复杂、更便宜的软体机器人材料有望诞生,而由于软体机器人柔性较高,在狭窄工作环境中可发挥出独有的优势,因此业界一直盼望这类机器人可早日投入应用。

然而,目前所有软体机器人均存在一个巨大问题,即为确保机器人的整体柔性,供能和控制部分通常需要外置。因此机器人在移动时,都会拖着管子或电线,这严重影响了机器人自身活动的 “自由性”。

而袁航所在团队则巧妙地解决了上述问题,他们使用了轻盈的水凝胶材料,来作为机器人的外表。机器人内部包裹着镍纳米线支架,并含有特殊设计的聚合物分子,这种设计让它能对外界磁场产生响应。在保持柔性的同时,它还可摆脱硬件、液压或电池的束缚。

光和磁场的结合,让机器人实现行走或滚动

袁航表示,机器人用的水凝胶材料具有双重响应,它既能对光响应,也能对磁场响应。在水凝胶的基础上,该团队加入一种对光敏感的分子,这种分子一旦受到光的照射,就会从亲水性变成疏水性, 这时水凝胶就会收缩、并把水排出去,机器人随之就会产生光控制的弹性形变。

另一方面,袁航和团队在合成材料时,把带铁磁性的纳米线和水凝胶单分子放到一起,加上磁场后,就能把纳米线排列起来,使得它们能沿特定方向排列。

同时,在合成水凝胶的过程中,纳米线也会被固定到水凝胶里面,这样水凝胶不仅能对光产生效应,由于其内部的磁性纳米线,也使得它能被外加磁场控制。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 水凝胶机器人在旋转磁场下执行任务

当施加外磁场,水凝胶内部固定的磁性纳米线就会向水凝胶施加应力,从而让水凝胶产生形变,基于该原理就能控制机器人行走或者滚动。概括来说,这是基于磁场和弹性之间的一种耦合。

这种化学合成,除让机器人实现行走和滚动之外,还能让它通过狭窄通道和复杂路线。当暴露在 LED 光下时,机器人的分子会排斥水分并让水分子逸出,其自身也会从平面十字形状、变成站立姿势,此时它的 “腿” 就像肌肉一样紧绷。

由于机器人内嵌的镍骨架具有铁磁性,因此可通过磁场使机器人的腿部移动。为了驱动机器人,该团队把外加磁场编程为特定的序列,这些序列能让机器人沿着所需路径运动,再加上精确的计算,就可让机器人沿着预设的任意路径进行运动。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 光触发在旋转磁场下行走

袁航说,此前机器人多数用 3D 打印,因此在材料合成时,磁场方向基本通过磁化就会固定下来,所以要改磁化方向就必须得加磁场。但是该团队加入了光场,因此可通过光场来调控磁化方向,磁化方向一变,机器人对磁场的响应也会随之改变。

据悉,在该团队中的 Stupp 组于今年早些时候发表的一项研究中,机器人材料可以在几分钟内实现弯曲,并以每 12 小时一步的缓慢速度爬行。而现在的“柠檬片”可在磁场的响应下每秒迈出大约一步,可操控性更强,就像控制玩具车一样。

一旦到达目的地,该机器人就可通过倒转形状来卸载货物,或者用跳街舞一样的旋转动作来脱落和释放较粘稠的物体。

此外,该软体机器人还可通过分子设计,来识别并主动清除特定环境中不需要的颗粒,其运动速度也比此前诞生于同一实验室的软性机器人要快得多。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 水凝胶机器人响应纳米线取向的行走模式

对于上述功能的实现,袁航告诉 DeepTech,在机器人进行转向与轨迹设计实验时,他遵循磁弹性的理论,搭建了数值计算模型,并基于机器人感光后的形状与外加磁场强度,预测出了机器人相应的运动轨迹。

机器人在运动时,需要一个很好的数学模型,所以袁航先在模型中计算,需要怎样的磁场来实现转向。然后,他和团队用在模型上计算出来的磁场,加载在实验室的设备上面,最终发现了和模型预言相当吻合的行为。

可做药物递送和容器反应

袁航认为,未来的机器人版本可能更小,甚至可以达到微米级别,届时就可在微观层面上操作,比如用于在病人体内的定向输送药物,将生物治疗剂或细胞精确地输送到特定组织。

除递送药物之外,由于机器人中用的水凝胶具有亲水性,所以它和一些生物组织非常接近,也就是具备一定软度,因此可把它作为一种反应容器。比如要到达人体内一些不好到达的特殊位置,就可以让机器人过去。

因为它和水有很好的兼容性,那就可以把一些化学分子扩散到机器人中来进行反应。而机器人在合成时,还可加入一些特定的靶向分子,这样就能在机器人上面进行反应。

光磁场机器人长得像柠檬皮,可爬坡可卸货,有望用于体内药物递送

图 | 旋转磁场下的转向运动和路径

概括来说,该机器人是基于模仿生物的新材料设计,它不仅能实现更快的反应,还能实现更复杂的功能。除改变形状之外,还可给其添加腿部,并给予它更多的行走步态和更智能的行为。届时机器人就会具有高度的通用性,并能用于不同的任务。

理论上,该机器人还可以被编程为 “集群” 陈列,并去模仿自然界中鸟类、细菌群落或海洋鱼群,扩大规模后它们能处理更多任务。例如,在伤口缝合时,可以设计上百万个 微型机器人,让它们执行类似于组织细胞、或组织细菌群的任务。

袁航表示,该机器人在对外界刺激产生的响应方面,依旧非常值得探索。此外,材料的几何还很简单,未来他们可能会设计出外观更精巧的机器人。

此外,当机器人系统变得很小的时候,周围环境的热涨落、周围流体的粘滞性,都是需要考虑的因素。故此,袁航和团队还需基于目前材料,去产生新的驱动方案,届时机器人有望实现更丰富的操控。

但无论如何,本次研究告别了此前机器人只能单一响应的局限性,是少有可实现既有光响应、又有磁场响应的机器人。

据袁航表示,他本科就读于上海交通大学致远学院物理班,该学院专注于基础学科,这让他受到了良好的训练。

本科毕业后,他来到美国西北大学就读应用物理专业 PhD。谈及出国留学,袁航说他和当前导师在风格上比较适合,在对方指导下,他也有机会接触到比较好的课题。

而在本次研究中,他主要负责理论与模拟部分。另一位共同第一作者李闯,是一位 85 后,博士毕业于清华大学,目前在西北大学 Stupp 组进行博士后研究工作,其主要负责材料部分和实验部分。

对于该合作,袁航表示,本次研究属于理论和实验结合得比较好的例子,而这在科研中并不容易遇到。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech