华人科学家开发光驱动软体机器人 无需额外操控(图)
他是殷亚东，一名材料科学家，目前是美国加州大学河滨分校终身教授。
图 | 殷亚东（来源：殷亚东）
其曾于 2011 年入选“全球顶尖一百化学家榜单”，同年入选“全球顶尖一百材料科学家榜单”并排名第二。
图 | 殷亚东的谷歌学术首页（来源：谷歌学术）
如今，殷亚东团队的李志伟博士即将回国寻找教职。12 月 1 日，李志伟担任第一作者、殷亚东和明鲁相（Nosang Myung）担任通讯作者的最新论文，刚刚发表在 Science Robotics 上[1]。
图 | 李志伟（来源：李志伟）
论文题为《用于自适应振动和仿生游泳的光驱动软体蒸汽机》（Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming）。
图 | 相关论文（来源：Science Robotics）
论文中，他们以水黾为灵感，研发出一种浮游机器人，能借助可控的运动来解决现实挑战和问题。
（来源：Science Robotics）
其中，处理污水和清理漂浮物，是已明确的应用方向。该机器人可携带化学催化剂，当它在水面自由浮游时，就能净化污染水体。也可让它装载吸油媒介，去清理水面的原油泄漏。如果以太阳光作为能量源，它可实现持续工作，并且无需额外操控。
（来源：Science Robotics）
设计光驱动软体蒸汽机
研究中，该团队设计了一种光驱动软体蒸汽机（light-powered soft steam engine），在光照下能产生可控的振动，借此可驱动软体机器人的运动。
这种运动可主动响应外界环境比如光线强度的变化，突破了此前很多软体机器人的局限性。
（来源：Science Robotics）
光驱动软体蒸汽机由三层聚合物薄膜组成，自上而下分别为聚酰亚胺、聚丙烯酰胺水凝胶和聚二甲基硅氧烷。
其中，上层的聚酰亚胺的热膨胀系数较小，而最下层的聚二甲基硅氧烷的热膨胀系数较大。中间的水凝胶层可用于储藏大量水分、以及包埋四氧化三铁和铜（Fe3O4/Cu）复合纳米棒，该纳米棒具有光热转换的能力。
（来源：Science Robotics）
当受到光照射时，纳米棒可把光能转成热能，软体机器人的温度由此升高。在相同温度下，底层的聚二甲基硅氧烷的体积膨胀，要比上层的聚酰亚胺大很多，所以软体机器人首先会向上弯曲。
持续的光照会引起水的蒸发，这会在顶层和水凝胶层之间形成蒸汽泡，进而会引发聚合物薄膜的振动。这时薄膜蒸汽机就能以光为能源、水蒸汽为工作流体，以周期性振动来驱动软体机器人在水面上的浮游。
（来源：Science Robotics）
振动产生的频率和振幅，取决于蒸汽泡的产生和释放速率，这时即可通过控制光的强度，来改变机器人的振动模式和运动方式。
比如在弱光照射下，蒸汽泡的产生很慢，这时就能观察到间断的、周期性振动。当增加光功率时，蒸汽泡的产生速率也会增加。基于此机理设计的软体机器人，可以响应外界的光强变化，并能主动改变自身振动和浮游运动模式。故此，该研究为设计可自主适应外界变化的软体机器人提供了新思路。
（来源：Science Robotics）
机器人最快运动速度为 1.3 毫米每秒，约等于每分钟 4 个机器人身长
该研究从立项到成功，大致分为三个阶段。第一阶段是最初的结构设计、材料选择和振动机理研究。初版软体机器人采用经典双层结构，在激光照射下只能实现弯曲，无法自主振动。
为突破这一难题，论文第一作者李志伟博士在原来的结构上引入了水凝胶中间层。水凝胶的多孔结构，可储存大量水分，同时其亲水的特点，使得分散的纳米颗粒可以被包覆。
鉴于此，他们最终选用四氧化三铁和铜的复合纳米棒作为光热转换材料，原因在于铜的等离子基元效应较好，造价也更便宜，而且四氧化三铁的宽带吸收和铜纳米棒在特定波长的吸收，也让制备出的机器人可在白光或特定波长的激光下工作。
（来源：Science Robotics）
在第一阶段，他们还借助高速摄像机，来研究机器人的振动机理，确认在光照射下水会蒸发产生气泡，并观察到气泡的产生和消散，会对弯曲的薄膜产生扰动，进而能驱动可控性机械振动。
在第二阶段，该团队展开系统性研究，优化了薄膜尺寸，并研究了水凝胶的交联度、以及光强度对机械振动的影响。
他们发现，通过控制这些参数，即可在较大范围内调节薄膜的振动频率和振幅。这时，只需改变光的强度，就能让机器人主动调节振动模式。
第三阶段是设计浮游机器人。受水黾的启发，李志伟设计出水面浮游机器人。在弱光照射下，机器人的运动是间断的脉冲式；在强光照射下，机器人可主动改变运动方式，并以匀速运动为主。
（来源：Science Robotics）
如前文所述，光源可驱动机器人的运动。目前的设计是用激光作为可控的光源。在现有的光功率密度下，机器人的最快运动速度为 1.3 毫米每秒，相当于大约每分钟 4 个机器人身长。后续进一步增加功率，有望可以实现更快的浮游。
在现有的光功率下，相比此前报道的其他浮游软体机器人，该机器人的速度更快，并接近一些自然生物在水中的游速。
另外一个特点是，当使用激光作为光源，激光会产生非常小的光斑，这让照射位置可被精确控制，进而可精确控制机器人的运动方式，实现前进、转弯和后退，并有望在弯曲、狭窄的管道内探索。
（来源：Science Robotics）
以光能量作为驱动方式，可让机器人运动不受导线限制
该机器人的驱动方式，使用光作为能量输入，这让它的运动不受导线限制，因此它具有更灵活、更自由的运动方式，以及更广泛的运动范围。
此外，相比于电驱动的机器人，该机器人还有望实现自然光驱动的可持续和可控性运动，届时不再需要额外能量输入。由于光的波长和偏振态都是非常可调的参数，这让他们可进一步设计机器人结构、以及纳米材料的性能，借此实现更复杂多变的运动方式。
比如在本工作中，他们通过控制照射位置，很方便地实现了机器人的前行，转向和后退。没有借助于其它材料和设备，也没有需要额外的结构设计，他们就可以实现机器人的全向灵活运动。
（来源：Science Robotics）
如何在较大范围内调节机器人的运动？
该团队表示，机器人的刚度通常由如下几个因素调节：
其一是水凝胶的交联度。在制作过程中，可通过控制交联剂用量来控制交联度，而水凝胶的交联度会影响水的蒸发速率和振动频率。
其二是聚二甲基硅氧烷层的厚度。该材料的杨氏模量相对较大（杨氏模量：描述固体材料抵抗形变能力的物理量）。因此，当提高材料厚度，即可制备刚度更高的机器人。
另据悉，他们还研究了聚二甲基硅氧烷层的厚度对机器人弯曲平衡态、振动频率以及幅度的影响。
综合考量上述因素，使得他们能在较大范围内调节机器人的振幅和频率，也为避开机器人的共振频率奠定了基础。此外，鉴于本次机器人的身体比较柔软，因此各个弹性体可通过弹性形变，来吸收振动能量，从而减少振动对自身结构的破坏。
（来源：Science Robotics
巧妙设计弯曲结构，让机器人可持续浮游
据介绍，本次研究开始于 2020 年疫情爆发之前，并在疫情最严重期间完成主要工作。在学校被关闭的情况下，李志伟在获得批准后，利用一切可能的机会进入实验室进行研究，最终高效高质地完成了研究。
在工作接近尾声时，浮游机器人的结构设计遇到了一些困难。由于机器人漂浮在水面上，而且水的比热容比较大，他们担心浮游在水面上的机器人未必能像在空气中一样被光驱动。
（来源：Science Robotics）
经过深思熟虑，李志伟巧妙设计出一种弯曲构造的机器人。该结构可让机器人的两端深入水面以下汲水，还可把水通过水凝胶层传递到机器人身体中作为 “燃料”。
另外，机器人弯曲的身躯可减少热量损失和耗散。看似简单的设计，功能却很实用，也凝聚了研究人员不少心血。
（来源：Science Robotics）
将开发集群式浮游机器人，实现无人机一样的自由运动
该团队表示，后续研究计划主要包括三方面：
第一是开发浮游软体机器人的在现实中的应用。
第二是优化纳米材料光热转换效率，以及控制纳米材料在水凝胶中的功能。目前，他们已开发出一系列具有较高光热转换效率的纳米结构，借此可进一步改善机器人的能源利用率，最终实现太阳能驱动的软体机器人。而且，使用不同的纳米材料，还可制备不同波长和光源驱动的机器人。
另外，他们还计划控制纳米棒在水凝胶层的取向，以便让光热转换也可对光偏振做出响应。通过改变激光的偏振和波长，机器人会更智能、更可控。
第三点是以此为起点，开发集群式浮游机器人，实现像无人机一样的自由运动、集群响应和控制。比如，机器人可以互相沟通、交换信息、协同作业，从而更高效地完成任务。
因此，该团队需在现有机器人结构的基础上，进一步升级机器人的功能，以实现互相通信：其中一种设计方案是把机器人用物理方法连接起来，去实现更复杂的集群运动和合作模式；第二种是加入控制电路，让各个机器人可以相互沟通，类似于集群式无人机一样。
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