多年來，科學(xué)家們一直在嘗試為微型機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)微小的人造纖毛，以期該系統(tǒng)可執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，包括彎曲、扭曲和反轉(zhuǎn)。美國哈佛大學(xué)研究人員開發(fā)了一種單材料、單刺激的微結(jié)構(gòu)，甚至可以超越活纖毛。這些可編程的微米級結(jié)構(gòu)能用于包括柔性機(jī)器人、生物相容性醫(yī)療設(shè)備，甚至動(dòng)態(tài)信息加密等一系列應(yīng)用。該研究近日發(fā)表于《自然》雜志上。

構(gòu)建比人類發(fā)絲還小的微結(jié)構(gòu)，通常需要多步制造過程和不同的刺激來產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這限制了它們的廣泛應(yīng)用。

哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授喬安娜·艾森伯格稱，能夠進(jìn)行各種程序化運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)材料，代表了一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新，這一領(lǐng)域的進(jìn)展會(huì)影響各種設(shè)計(jì)材料和設(shè)備運(yùn)行方式，包括機(jī)器人、醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)。

與之前主要依靠復(fù)雜材料來實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)元件的可編程運(yùn)動(dòng)不同，艾森伯格團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由單一材料(光響應(yīng)液晶彈性體)制成的微結(jié)構(gòu)柱。鑒于液晶彈性體基本結(jié)構(gòu)的單元排列方式，當(dāng)光線照射時(shí)，其會(huì)重新排列且形狀發(fā)生改變。

隨著這種變化會(huì)發(fā)生兩件事。首先，光線照射的地方變得透明，允許光線進(jìn)一步穿透到材料中，再導(dǎo)致額外的變形;其次，隨著材料變形和形狀移動(dòng)，柱子上的一個(gè)新點(diǎn)暴露在光線下，導(dǎo)致該區(qū)域也改變了形狀。這個(gè)反饋回路，推動(dòng)微結(jié)構(gòu)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)循環(huán)。

研究人員表示，“內(nèi)部和外部反饋循環(huán)為我們提供了一種自我調(diào)節(jié)的材料。一旦你打開燈，它就會(huì)自行完成所有工作。當(dāng)燈關(guān)閉時(shí)，材料會(huì)恢復(fù)到原來的形狀”。

材料的特定扭曲和運(yùn)動(dòng)隨其形狀而變化，使這些簡單的結(jié)構(gòu)可“無休止地”重新配置和調(diào)整。研究人員使用模型和實(shí)驗(yàn)展示了圓形、方形、L形和T形以及棕櫚樹形結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并嘗試了材料可調(diào)整的所有其他方式。

研究表明，通過調(diào)整一系列參數(shù)來編程，可以進(jìn)行包括照明角度、光強(qiáng)度、分子排列、微觀結(jié)構(gòu)幾何形狀、溫度以及照射間隔和持續(xù)時(shí)間的變化。

艾森伯格稱，個(gè)體和集體運(yùn)動(dòng)的巨大設(shè)計(jì)空間，意味著柔性機(jī)器人、傳感器和強(qiáng)大信息加密系統(tǒng)未來潛在的變革性。

【總編輯圈點(diǎn)】

無論是在科幻作品中，還是在現(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)器人給我們留下的印象大都冷冰冰、硬邦邦的，動(dòng)作也十分機(jī)械。這并不能完全滿足我們對機(jī)器人的定義和期待。在這一背景下，柔性機(jī)器人相關(guān)研究應(yīng)運(yùn)而生。采用更柔、更薄、更纖細(xì)甚至可編程的各種柔性材料，是讓機(jī)器人變得更加柔軟、小巧、靈活、智能的重要途徑之一。形式、功能各異的柔性機(jī)器人可以執(zhí)行傳統(tǒng)機(jī)器人所不擅長的眾多任務(wù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)器人之不足，也在不斷拓展我們對機(jī)器人的理解和認(rèn)知。

(記者張夢然)