通过扭结拓扑结构实现自调节的水凝胶机器人！
自然界中的定向运动，从分子马达到奔跑的猎豹，通常依赖于结构不对称性和通过内部和/或外部途径进行反馈的自调节机制。例如，蛋白质能够接收电化学信号，将构象不对称性转化为定向运动，并通过生化反馈循环自主恢复它们的构型。此外，一些多细胞生物通过身体与环境之间的相互作用实现高度协同的运动，利用对称性的破坏进行生物体和环境之间的相互作用。这些生物系统为人工软体机器人的设计提供了灵感；然而，实现能够对复杂生物信号和复杂神经网络产生响应的致动和控制系统仍然是一个巨大的挑战。
对于连续体机器人的设计，学者们利用柔性活性材料，通过破坏对称性和外部刺激实现了连续运动的性能，然而这通常需要复杂的手动控制。在这些人工系统中，通常会加入外部或内部反馈回路，比如自遮挡效应或振荡化学反应。目前在连续软体机器人中，很少有能够实现自调节的对称性恢复，甚至很难实现自调节的连续运动。
典型的对称性破坏策略包括不对称的形状、梯度结构和不对称的外部刺激。然而，在柔性致动器或机器人中很少有报道基于拓扑结构的对称性恢复。根据扭结理论，扭结是一种具有不变形态和在三维空间中闭合曲线的拓扑元素。扭结在日常生活中比在工程中更常用，可以用来破坏各种类型的对称性，如镜像对称、轴对称和手性对称，从而在工程的运动系统中实现灵活的步态控制。此外，由于闭合回路的交错，扭结通常包含拓扑约束，带来自遮挡和预应力，因此可能增强驱动性能并提供物理智能。当这些对称性破坏/恢复手段与活性材料的响应性结合在一起时，有望设计出具有自调节运动性能的软体机器人。
在此背景下，浙江大学郑强教授、吴子良教授团队开发了一系列具有扭结结构的软体机器人，它们由光响应性各向异性水凝胶制成，能够在光刺激下实现自主和连续的运动。通过打破旋转对称性、镜像对称性、时空对称性和/或手性对称性，作者设计了各种类型的光响应扭结机器人，通过自我约束几何形状与光热应力之间的耦合，实现了整体旋转以及局部滚动。扭结机器人的特殊自相似形态保证了对旋转、旋转和滚动运动不变的持续运动。作者研究了从扭结的大小和手性到光的强度和相对方向等各种参数对连续机器人运动行为的影响。通过理论模型，进一步证明了这些调节运动是由几何诱导的预应力、刺激引起的形状变化和自遮挡效应的协同作用所致。此外，作者还展示了扭结机器人的动态运动能力，证明了该机器人可用于执行复杂任务，例如在均匀光照下旋转齿轮和攀爬竖杆。该工作以题为“Animating hydrogel knotbots with topology-invoked self-regulation”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。
圆柱形凝胶的制备、结构和响应性
作者将氟锂石纳米片（NSs）和金纳米颗粒（AuNPs）掺入前体溶液中，制备具有响应性、各向异性的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝胶。NSs的水悬浮液在含量非常低的情况下易于通过机械剪切进行去向。作者将预聚液快速注射到硅胶管中来制备各向异性水凝胶（图1a）。凝胶在偏振光学显微镜（POM）下显示出强双折射，而横截面显示出麦芽糖十字，表明NSs在圆柱体内同心排列（图1b）。NSs的排列和AuNPs的存在通过扫描和透射电子显微镜（SEM和TEM）来确定（图1c）。NSs的排列通过小角度X射线散射（SAXS）测量来确定（图1d，e）。作为一种高效光热转导剂，AuNPs赋予了凝胶光响应性。在光照下，凝胶的局部温度在3 s内从25°C上升到40°C。由于光穿透深度有限，光照射3 s后，热应变的横向梯度使圆柱形凝胶弯曲，振幅为60°。去除光后，凝胶在约10 s内恢复其初始形状（图1f）。重复的光照导致凝胶的快速和可逆弯曲（图1g）。受光穿透和热传递的限制，光源正面和背面的峰值温度相差10°C（图1h）。
图1. 圆柱形水凝胶的合成、各向异性结构以及对温度和光的响应。
凝胶在静态和动态光作用下的运动
将圆柱形水凝胶在没有扭曲的情况下弯曲并在末端连接。由此产生的环面被称为拓扑平凡结。这种初始几何形状引入了预应变场——内侧压缩和外侧拉伸（图2a）。圆环体顶部的光照射导致垂直温度梯度，从而导致横截面中的热应变失配——在圆环体顶部和底部之间的镜像对称性被打破后，被照射的顶部往往会收缩并向内滚动，以补偿这种失配。在光照下，环状物体的滚动运动可以通过考虑环形应力（即施加在圆柱形凝胶上的周向应力）来理解——除了预应力外，顶部半部分受拉应力而底部半部分受压应力（图2b）。拉伸和压缩的环向应力分别产生同心和偏心的合力，分离的作用线引起了力矩，从而导致了环状物体的向内滚动。值得注意的是，在滚动时环状物体保持自相似性，这对于连续运动来说非常重要。环状物体的滚动运动与环境温度和光功率强度密切相关，这些因素决定了热传导和冷却的稳态，以确保自适应形变和持续运动（图2e）。
实现连续运动的另一种策略是破坏外界刺激的时间对称性。如图2f所示，通过沿着凝胶环的周向扫描一个光斑，也可以实现持续滚动，这样每个部分都会间歇性地暴露，为其提供充足的冷却时间。光的动态扫描也使环状物体变形成一个打破旋转和镜像对称性的形状。暴露于光的区域局部弯曲并使环状物体在平面外翘曲，仅在两个部分与支撑表面接触，形成一个鞍状。弯曲区域随着光斑的扫描而移动，导致沿周向连续切换接触点，导致结机器人朝着与轮子的局部滚动接触相似的方向移动。这种行进性变形还导致了环状扭结机器人的旋转，其特征是其横截面绕其旋转轴的旋转角β（图2f）。
图2. 光操纵水凝胶机器人的连续旋转和滚动。
三叶扭结机器人在光照下的自主滚动和旋转
作者研究了多种扭结机器人在光照下的运动行为。例如，三叶扭结机器人表现出交叉点相对位置的逐渐变化和扭结的明显旋转（图3b）。为了揭示其中的运动学过程，作者在光刺激期间检查了三叶扭结机器人的温度和应力分布（图3d、e）。与环状物体一样，横截面上的环向应力产生一个势矩，倾向于使扭结向内滚动。由于遮挡效应，每个交叉点上方的段受到照射，因此加热程度较下方的段更高。当将扭结中的两股视为一个横截面时，由分布的环向应力产生的势矩也会旋转扭结，导致明显的轮廓旋转（图3d）。由于摩擦，底部的接触点充当了复合运动的锚点，接触点的持续移动决定了材料质点运动与扭结旋转之间的相对速度（图3c、e）。模拟结果中的三种运动模式如图3d、f所示。结果表明，在三叶扭结机器人中，拓扑结构和约束导致了在均匀光刺激下运动的自调节和高度协同性。
图3. 三叶草扭结机器人在光照射下的自主滚动和旋转。
多种机器人在光照射下的运动行为及其应用
作者将设计原理推广到多种形状和拓扑结构的扭结机器人的设计当中。作者制备了具有特定手性的五瓣扭结机器人，其在光刺激下表现出类似的滚动和旋转，表明了相似的运动学特性（图4a）。扭结机器人的交叉点有助于自遮挡效应，以调节局部变形并实现持续旋转。此外，作者还制作了一个右手性的Solomon链，具有四个交叉点，由两股交织的凝胶线组成，它在从上方均匀光照下表现出自主和持续的向内滚动和逆时针旋转（图4b，d）。类似的现象也在六个交叉点的扭结机器人中被观察到（图4c）。实验结果表明，扭结机器人的运动速度与交叉点的数量直接相关。如图4e所示，随着交叉点数量的增加，交叉点之间的被施加了更严格的约束，从而阻碍了扭结机器人的运动。旋转速度与滚动速度之间的比率仅由结构拓扑决定，与交叉点的数量成反比（图4f）。
图4. 多种扭结机器人的连续自我调节运动。
最后，作者将扭结机器人设计用来操作简单的机器或执行特定的任务。如图5a，一个齿轮被放置在一个右手三叶结机器人的顶部。在均匀光照下，三叶结机器人的持续滚动通过摩擦旋转了齿轮。通过利用滚动运动，三叶结机器人可以在均匀光照下沿着螺纹杆爬升（图5b）。爬升运动可以双向引导。当从底部照射时，爬升是由扭结水凝胶的滚动运动驱动的，并受到杆与凝胶之间摩擦的影响。三叶结机器人甚至可以沿着具有相当直径的光滑杆爬升，同时以一定速度提升和旋转齿轮（图5c）。扭结机器人的持续运动还可以用来沿着水平绳索运送货物（图5d）。该自主扭结机器人有望在生物医学和工程领域得到应用，特别是在无法获得受控刺激的条件下。
图5.扭结机器人可实现复杂运动以完成各种任务。
小结：该工作开发了一系列基于水凝胶的扭结机器人，能够进行自主滚动和旋转/转动运动。通过外部刺激破坏对称性并通过自我调节恢复，自约束诱导的预应力与光热应变之间的耦合使得扭结机器人能进行持续不断的运动。实验结果证明，非平衡过程由自约束、主动变形以及光响应凝胶的自遮挡效应能够实现动态而协同地调节。这些主动运动使得扭结机器人能够执行包括齿轮旋转和攀爬竖杆等任务。该研究为开发拓扑结构实现以实现软体机器人自调节可持续运动的能力铺平了道路。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-44608-x
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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