受海洋生物启发的软机器人可以行走、滚动和运输货物

西北大学的研究人员已经开发出一种新材料，可以用作软机器人。他们说，栩栩如生的软机器人可以以人类的速度行走，捡起并将货物运输到新的地点，爬上山坡，甚至不停地松开来释放颗粒。该软机器人按重量计将近90％的水，无需复杂的硬件、液压或电力即可移动。取而代之的是，它被光激活并沿外部旋转磁场的方向行进。

类似于四足章鱼的软机器人

该机器人类似于四足章鱼，在充满水的水箱内工作，非常适合在水生环境中使用。研究人员说，可以定制微型机器人的动作，以帮助催化不同的化学反应，然后抽出有价值的产品。

软机器人行走。资料来源：Samuel I. Stupp实验室/西北大学

该软机器人也可分子设计来识别并积极在特定环境下删除不想要的颗粒，或用自己的机械运动和运动精确地提供生物疗法或细胞对特定组织。

“传统的机器人通常是具有大量硬件和电子设备的重型机器，它们无法与包括人类在内的软结构安全地进行交互，”负责实验研究的塞缪尔·斯图普（Samuel I. Stupp）说。“我们设计了具有分子智能的软材料，使它们能够像任何大小的机器人一样工作，并在水下或地下的狭小空间中发挥有用的功能。”

“通过将步行和转向运动结合在一起，我们可以对特定的磁场序列进行编程，从而可以使机器人进行远程操作，并使其沿平坦或倾斜表面上的路径运动，”领导理论工作的莫妮卡·奥尔维拉·德拉克鲁兹（Monica Olvera de la Cruz）补充道。“这种可编程功能使我们能够通过复杂的路线引导机器人穿过狭窄的通道。”

这项研究发表在本周的《科学机器人》杂志上。西北大学位于伊利诺伊州埃文斯顿。

机器人滚动以运输粒子。资料来源：Samuel I. Stupp实验室/西北大学

Stupp是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的受托教授。他在约会工程学院麦考密克，将艺术与科学学院温伯格和医学Feinberg医学院。奥尔维拉·德拉克鲁兹（Olvera de la Cruz）是麦考密克（McCormick）材料科学与电子工程，化学以及化学与生物工程领域的泰勒律师教授。

斯托普（Stupp）和奥尔维拉·德拉克鲁兹（Olvera de la Cruz）分别是美国能源部资助的西北能源前沿研究中心生物启发能源科学中心的主任和副主任。

这项研究建立在Stupp先前的工作基础上，旨在设计模仿海洋生物的“机器人软物质”。在今年早些时候发表的之前的研究中，机器人材料可能会在数分钟的时间范围内弯曲，并且每12小时迈出一步就可以在表面爬行。现在，当前的突破使机器人可以以人类的速度行走-大约每秒一步-并能响应磁场，使这些材料遵循特定的轨迹。

响应光线“跳起舞”以释放粘性物体

机器人将形状反转以允许货物滚落。资料来源：Samuel I. Stupp实验室/西北大学

通过耦合对光和磁场的响应，研究人员设计了一个软机器人，该机器人还可以拾取货物，并通过步行或滚动将其运送到目的地。然后，通过颠倒其形状或执行旋转的“霹雳舞”以移动并释放粘性物体，从而将货物放到新位置。

Stupp说：“模仿生物的新材料的设计不仅可以加快响应速度，而且还可以执行更复杂的功能。” “我们可以改变形状，为合成生物增加腿部，并赋予这些栩栩如生的材料新的步行步态和更聪明的行为。这使它们具有很高的通用性，可以完成不同的任务。”

机器人精确运动和敏捷性的秘诀在于其充满水的结构以及铁磁性对齐镍丝的嵌入式骨架。柔软的组件是一个分子设计的网络，其各个部分可以使其对光线做出反应，在其内部保持或排出水，并具有适当的刚度以快速响应磁场。

美国西北研究小组使用化学合成方法对水凝胶中的分子进行编程，以对光做出反应。当暴露在光线下时，机器人的分子变成疏水性（排斥水），导致水分子逸出。通过这种转换，机器人可以通过从平坦位置弯曲到“站立”来“活跃起来”。

研究人员发现，这种弯曲使材料能够快速响应旋转的磁场，从而激活其快速行走的能力。当灯熄灭时，分子会恢复为原始状态，机器人会变平，但是在LED提示下，它随时准备在磁场下进行新的活动周期。

当暴露于旋转磁场时，弯曲机器人中的嵌入式骨架会在软分子网络上施加循环力并激活腿部。可以对旋转场进行编程，以沿预定路径导航机器人。

“使用理论和计算，我们可以计算出对光和磁场的响应，”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步行轨迹。”

新型软机器人的可能应用

Stupp和Olvera de la Cruz认为这些柔软的机器人材料可能会被用于创建许多应用程序的对象，包括化学生产，对环境重要技术的新工具或作为高度先进医学的智能生物材料。

“最终，我们希望制造出能够以协调的方式执行复杂任务的微型机器人大军。” Stupp说。“我们可以对它们进行分子调节，使其彼此相互作用，以模仿自然界中的鸟类和细菌群或海洋中的鱼类群。该平台的分子多功能性可能会导致目前尚未构思的应用程序。”