水生机器人的灵感来自海洋生物，行走，滚动，运输货物

美国西北大学的研究人员研制出了一种史无前例的仿生命材料，可以充当软机器人。它可以以人类的速度行走，捡拾并运送货物到一个新的地点，爬上小山，甚至可以跳霹雳舞释放粒子。

这个厘米大小的机器人90%的重量是水，移动时不需要复杂的硬件、液压或电力。相反，它被光激活，并沿着外部旋转磁场的方向行走。

塞缪尔I.斯图普

这款机器人形似四条腿的章鱼，在一个充满水的水箱中工作，非常适合在水生环境中使用。研究人员设想定制微型机器人的动作，以帮助催化不同的化学反应，然后泵出有价值的产品。这些机器人也可以是分子设计的，在特定的环境中识别并主动去除不需要的粒子，或者使用它们的机械动作和移动来精确地将生物疗法或细胞送到特定的组织中。

“传统的机器人通常都是笨重的机器，有很多硬件和电子设备，无法安全地与包括人类在内的软结构互动，”该实验研究的负责人塞缪尔·i·斯图普(Samuel I. Stupp)说。“我们设计了具有分子智能的软材料，使它们能像任何大小的机器人一样行动，并在水下或地下的微小空间中执行有用的功能。”

领导这项理论研究工作的莫妮卡·奥尔维拉·德拉克鲁斯补充说:“通过将行走和转向动作结合在一起，我们可以对特定的磁场序列进行编程，从而远程操作机器人，引导它沿着平坦或倾斜表面的路径行走。”“这种可编程特性允许我们引导机器人通过具有复杂路线的狭窄通道。”

Monica Olvera de la Cruz

这项研究发表在12月9日的《科学机器人》杂志上。

斯图普是美国西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授。他在麦考密克工程学院、温伯格文理学院和范伯格医学院任职。Olvera de la Cruz是麦考密克材料科学与工程、化学和化学与生物工程泰勒律师教授。

Stupp和Olvera de la Cruz也是生物灵感能源科学中心的主任和副主任，该中心位于美国西北部，是由美国能源部资助的能源前沿研究中心。

新进展

这项研究建立在斯图普之前的工作基础上，设计了模仿海洋生物的“机器人软物质”。在今年早些时候发表的一项研究中，机器人材料可以在数分钟内弯曲，每12小时在表面爬行一步。现在，目前的突破使机器人能够以人类的速度行走——大约每秒走一步——并对磁场做出反应，引导这些材料沿着特定的轨迹前进。

最终，我们希望制造出一大批微型机器人，它们能够以协调的方式完成复杂的任务。Samuel I. Stupp
材料科学家

通过对光和磁场的耦合反应，研究人员设计了一种机器人，它也可以通过行走或滚动的方式捡起货物并将其运送到目的地。然后，机器人将货物翻转到新的位置，使货物平稳地从机器人上滑下来，或者跳一段旋转的“霹雳舞”来移动和释放粘性物体。

斯图普说:“这种模仿生物的新材料的设计不仅可以提高反应速度，还可以实现更复杂的功能。”“我们可以改变形状，给这些合成生物添加腿，并给这些类似生命的材料赋予新的步态和更智能的行为。”这使得它们非常多才多艺，能够胜任不同的任务。”

它是如何工作的

机器人精确移动和敏捷的秘密在于它充满水的结构和嵌入的铁磁排列的镍丝骨架。这种软组件是分子设计的网络，它的各个部分可以对光线做出反应，在内部保持或排空水分，并有合适的硬度来对磁场做出快速反应。

西北大学的研究小组使用化学合成方法对水凝胶中的分子进行编程，使其对光线做出反应。当暴露在光线下时，机器人的分子变得疏水(排斥水)，导致水分子逃逸。这种转换使机器人从平的位置弯曲到“站立”，从而“活过来”。研究人员发现，这种弯曲能使材料对旋转的磁场做出快速反应，使其能够快速行走。当灯熄灭后，分子恢复到原来的状态，机器人就会平躺下来，但它随时准备在磁场下，在LED的提示下进行新一轮的活动。

新的软机器人的重量是水的90%

当接触到旋转的磁场时，弯曲机器人内嵌的骨架对软分子网络施加循环力，激活腿。旋转磁场可以通过编程引导机器人沿着预先确定的路径前进。

“通过理论和计算，我们可以计算出它对光和磁场的响应，”奥尔维拉·德拉·克鲁兹说。“这使我们能够非常准确地预测和编程行走轨迹。”

未来的应用

斯图普和奥尔维拉·德·拉·克鲁兹设想，这些柔软的机器人材料有可能被用于许多应用领域，包括化学生产、重要环境技术的新工具，或者作为先进医学的智能生物材料。

斯特普说:“最终，我们希望制造出大批微型机器人，它们能够以协调的方式完成复杂的任务。”“我们可以从分子上对它们进行调整，让它们相互作用，以模拟自然界中成群的鸟类和细菌，或者海洋中的鱼群。该平台的分子多功能性可能会带来目前尚未想到的应用。”

这项名为“水凝胶-金属混合物在光和磁场下的快速可编程运动”的研究得到了仿生能源科学中心的支持，该中心是由美国能源部基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心(奖项编号为DE-SC0000989)。

该论文的主要作者是Stupp实验室的博士后李创和研究生Garrett Lau，以及Olvera de la Cruz实验室的研究生Hang Yuan。其他合著者包括西北大学的教员Danna Freedman和Pedram Khalili。

主题:麦考密克工程、研究、技术学院