弗吉尼亚理工大学的物理学家提出了更快更灵活的机器人之路

弗吉尼亚理工大学的物理学家在 5 月 15 日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中揭示了一种微观现象，这种现象可以极大地提高软设备的性能，例如敏捷灵活的机器人或用于药物输送的微型胶囊。

这篇论文由荷兰拉德堡德大学的博士候选人 Chinmay Katke、助理教授 C. Nadir Kaplan 和合著者 Peter A. Korevaar 共同撰写，提出了一种可以加速水凝胶膨胀和收缩的新物理机制。首先，这为水凝胶取代用于制造柔性机器人的橡胶基材料提供了可能性——使这些人造材料能够以接近人手的速度和灵活性移动。

软体机器人已在制造业投入使用，其中一种类似手的设备被编程为从传送带上抓取物品(比如热狗或一块肥皂)，并将其放入容器中包装。但现在使用的机器人依靠液压或气动来改变“手”的形状来拾取物品。

水凝胶与我们的身体相似，主要成分是水，在我们周围随处可见，例如食物果冻和剃须凝胶。Katke、Korevaar 和 Kaplan 的研究似乎找到了一种让水凝胶膨胀和收缩更快的方法，这将提高它们的灵活性和在不同环境下发挥作用的能力。

弗吉尼亚理工大学的科学家们做了什么?

生物体利用渗透作用进行各种活动，例如植物种子破裂、果实散播或肠道吸收水分。通常，我们认为渗透是水流通过膜的过程，而聚合物等较大分子则无法通过。这种膜称为半透膜，被认为是触发渗透的必要条件。

此前，Korevaar 和 Kaplan 曾用一层由聚丙烯酸组成的薄层水凝胶薄膜做过实验。他们观察到，尽管水凝胶薄膜允许水和离子通过且不具有选择性，但当离子在水凝胶内部释放时，水凝胶会因渗透而迅速膨胀，然后再次收缩。

Katke、Korevaar 和 Kaplan 提出了一种新理论来解释上述观察结果。该理论认为，当水凝胶内部释放的离子分布不均匀时，离子和聚丙烯酸之间的微观相互作用会使水凝胶膨胀。他们称之为“水凝胶的扩散电泳膨胀”。此外，这种新发现的机制使水凝胶的膨胀速度比以前快得多。

为什么这个改变很重要?

卡普兰解释道：“软敏捷机器人目前是用橡胶制成的，橡胶“可以完成工作，但它们的形状是通过液压或气动改变的。这并不是我们所希望的，因为很难在这些机器人上印制一个管道网络来向其中输送空气或液体。”

卡普兰说，想象一下，借助神经网络和皮肤下离子的运动，你可以用手做多少不同的事情，以及你能多快地做这些事情。由于橡胶和液压系统不像生物组织(一种水凝胶)那样灵活，最先进的软机器人只能做有限数量的动作。”

这能如何改善我们的生活?

卡特克解释说，他们研究的过程允许水凝胶改变形状，然后在比以前更大的软机器人中“以更快的速度”变回原来的形状。

Katke 表示，目前只有微型水凝胶机器人能够快速响应化学信号，从而发挥作用，而较大的机器人则需要数小时才能变形。通过使用新的扩散电泳法，一厘米大小的软机器人可能能够在几秒钟内变形，这有待进一步研究。

能够快速反应的大型灵活软机器人可以改善医疗保健中的辅助设备、制造业中的“拾取和放置”功能、搜索和救援行动、用于护肤的化妆品和隐形眼镜。