自调节无限可编程人造纤毛问世|总编辑圈点

• 2022-05-09 05:28:33 来源：科技日报

如图所示，放射状排列的微阵列中的微结构可执行复杂的局部相互作用柱的行波。图片来源：乔安娜·艾森伯格/哈佛大学工程与应用科学学院

科技日报记者 张梦然

多年来，科学家们一直在尝试为微型机器人系统设计微小的人造纤毛，以期该系统可执行复杂运动，包括弯曲、扭曲和反转。美国哈佛大学研究人员开发了一种单材料、单刺激的微结构，甚至可以超越活纤毛。这些可编程的微米级结构能用于包括柔性机器人、生物相容性医疗设备，甚至动态信息加密等一系列应用。该研究近日发表于《自然》杂志上。

构建比人类发丝还小的微结构，通常需要多步制造过程和不同的刺激来产生复杂的运动，这限制了它们的广泛应用。

哈佛大学工程与应用科学学院化学与化学生物学教授乔安娜·艾森伯格称，能够进行各种程序化运动的自适应、自调节材料，代表了一个重要创新，这一领域的进展会影响各种设计材料和设备运行方式，包括机器人、医学和信息技术。

与之前主要依靠复杂材料来实现可重构元件的可编程运动不同，艾森伯格团队设计了一种由单一材料（光响应液晶弹性体）制成的微结构柱。鉴于液晶弹性体基本结构的单元排列方式，当光线照射时，其会重新排列且形状发生改变。

随着这种变化会发生两件事。首先，光线照射的地方变得透明，允许光线进一步穿透到材料中，再导致额外的变形；其次，随着材料变形和形状移动，柱子上的一个新点暴露在光线下，导致该区域也改变了形状。这个反馈回路，推动微结构进入运动循环。

研究人员表示，“内部和外部反馈循环为我们提供了一种自我调节的材料。一旦你打开灯，它就会自行完成所有工作。当灯关闭时，材料会恢复到原来的形状”。

材料的特定扭曲和运动随其形状而变化，使这些简单的结构可“无休止地”重新配置和调整。研究人员使用模型和实验展示了圆形、方形、L形和T形以及棕榈树形结构的运动，并尝试了材料可调整的所有其他方式。

研究表明，通过调整一系列参数来编程，可以进行包括照明角度、光强度、分子排列、微观结构几何形状、温度以及照射间隔和持续时间的变化。

艾森伯格称，个体和集体运动的巨大设计空间，意味着柔性机器人、传感器和强大信息加密系统未来潜在的变革性。

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无论是在科幻作品中，还是在现实生活中，机器人给我们留下的印象大都冷冰冰、硬邦邦的，动作也十分机械。这并不能完全满足我们对机器人的定义和期待。在这一背景下，柔性机器人相关研究应运而生。采用更柔、更薄、更纤细甚至可编程的各种柔性材料，是让机器人变得更加柔软、小巧、灵活、智能的重要途径之一。形式、功能各异的柔性机器人可以执行传统机器人所不擅长的众多任务，弥补了传统机器人之不足，也在不断拓展我们对机器人的理解和认知。

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