北卡州立尹杰团队PNAS：可探测边界形状的环状智能软体机器人

作为出色的热驱动软体机器人活性材料，以液晶弹性体（LCE）为主要驱动器的软体机器人已经能够实现基本的爬行、跳跃等动作，其广阔的设计灵活性也使得科研人员对其进行新的结构设计以完成更加复杂的任务。然而，现有的液晶弹性体还是以一维的运动为主，并且受环境因素的扰动也非常巨大，导致其可控性和稳定性仍旧面临巨大的挑战。因此，利用液晶弹性体的物理特性，设计新型的拓扑结构以完成更加复杂、可预测的运动，将对相关课题的工作人员提供新的的参考思路。

近日，一种具有周期性运动轨迹的软体机器人为液晶弹性体为基底的设计提供了新的参考。已有的热驱动螺旋状液晶弹性体已经具备了出色的行动能力，得益于其特殊的结构，以及材料本身的特性，使其具备了物理智能（Physical Intelligence），即运动模式根植于结构和材料的物理特性，使其看似具备思维一样。与传统电驱动执行器不同的是，热驱动机器人结构简单、制造简略，同时还能够直接吸收热能并转化为动能，并且能够出色的完成复杂的任务，比如在无人工参与的情况下穿越迷宫，寻找出口（doi.org/10.1073/pnas.2200265119）。北卡罗莱纳州立大学尹杰团队在现有的结构上，做出进一步的探索，若将该带状螺旋结构首尾相连，将展现出完全不同的耦合运动（图1）：首先是与带状螺旋结构类似的滚动，其次是独特的绕环转动，最后是以环外某一点为圆心的转动。这三种运动密切相关，且与星体的自转和公转类似，其独特的周期性也为运动的稳定性和可预测性提供了保证。

图1：（a）基于带状螺旋体的环状拓扑结构设计；（b）环状机器人的三种耦合运动，即局部滚动、自转，以及公转。

螺旋状结构本身具备手性，不难想到，不同的手性将导致相反的自转方向。由于液晶弹性体的分子结构在“缝合”处被人为破坏，所以在该处作者将其称为“缺陷”。比起完美的螺旋环状软机器人，该带有缺陷的结构多出了“公转”的运动，这是因为在连接处前方，由于LCE分子链本身的交叉连接（cross-linking）断裂，使其不能自发产生滚动，于是产生了相反的扭矩，导致出现一处“翘起”的非接触点（non-contact point），正是由于该缺陷的存在，导致该点前沿处受力对称被打破（图2）。同样，相反的手性将导致相反的公转方向。

图2：带有“缺陷”的螺旋环状软体机器人的受力分析

得益于自转和公转的周期性运动，该软体机器人被利用于探索以及描绘未知的封闭空间（图3）。以最基础的几何形状为例，比如圆形、矩形和三角形所围成的封闭空间。实验证明，只要将其置于任意初始位置，在经过至多两个公转周期之后，该机器人的运动轨迹与未知空间的形状完全一致。为了进一步展现其功能性，课题组用荧光材料涂层附着在该环状机器人上，即在完全黑暗的环境中，只要追踪该机器人的位置，即可描绘出该空间边缘的形状。此外，由于自然界中的封闭空间往往非常的不规律，对于单个机器人就无法完整的反馈完整的边界形状了，对此，课题组同样设计出类似于汉字“凹”的封闭空间以展现对于凹性几何形状，利用不同手性的机器人集群，收集每个机器人的轨迹并求并集，即可得到最终的边缘形状。

图3：螺旋环状软体机器人探索和描绘不同几何形状的封闭空间边界

这种闭环的螺旋状液晶弹性体机器人由于具备周期性和对环境的交互性，使得其为物理智能软体机器人的设计中又添一例，比起受环境干扰严重，操纵条件严苛的设计更加容易控制和预测行为。

该工作标题名为《Defected twisted ring topology for autonomous periodic flip-spin-orbit soft robot》并发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。第一作者为北卡罗莱纳州立大学机械与航空航天工程系博士生漆方杰，通讯作者为该系尹杰副教授，共同作者还有该系博士后李艳滨，博士生洪尧烨，博士后赵耀，以及博士生清海涛。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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