【科研】又一突破！机器人无需电池就能遨游水下！

前言

光能或成为机器人的新能源形式

加州大学洛杉矶分校（UCLA）和洛杉矶加利福尼亚纳米系统研究所的研究人员最近开发了一种基于自持式水凝胶振荡器的软游泳机器人。这种机器人在Science Robotics上发表的论文中显示，其可以无需电池在恒定光输入下运行，这项发明意味着在未来电池和电缆或许不再成为困扰海底机器人的制约条件。

参与这项研究的博士生赵宇森（yusen zhao）道出找到这项巨大突破时的缘由：“当我在柔软、快速响应的水凝胶柱上照射光线时，我观察到水凝胶柱开始围绕光束振荡。”“这对我来说非常有趣，我想知道恒定输入怎么能产生间歇性输出？在什么条件下会发生振荡？它是否足够强大，可以在水中推进和游动，最终导致太阳帆？这些问题促使我继续进行系统研究，旨在实现这些目标。”赵宇森这样解释。

赵和他的同事开发了一种由光响应软凝胶制成的软振荡器，它被模压成柱状或条状。当光线照射到凝胶柱的一个点上时，它会自动被吸收并转化为热量。机器人上的局部加热点使其喷射一些水并使其体积缩小，导致其尾部朝向光源弯曲。

“在它弯曲之后，尾巴本身阻挡了光线，”赵解释道。“因此，阴影点会立即冷却并再次膨胀，这会导致尾部再次下降。这个过程会迅速重复，导致拍打动作持续，只要光线适用。”

由于凝胶柱在组成上是均匀的并且几何对称，因此它能够响应来自任意方向的光，这几乎可以覆盖整个3-D空间。振荡器具有接近无限的自由度，是机器人技术的重要优势。

研究人员评估了他们的游泳机器人，其身体漂浮在水面上，尾巴位于水线以下，以确定其设计的有效性。他们发现，当光照在机器人的尾巴上时，它会上下振动，最终使机器人从光线中游离。这种沿着光源方向移动的独特特征模仿了许多活体动物（如浮游生物和飞蛾）的趋光性行为，提供了通过遥控进行导航和操纵的有用手段。

“软机器人的美妙之处在于其设计的简洁性，”赵的研究主管Ximin He告诉我们。“整个机器人都是由一个均质的水凝胶制成，极大地简化了制造工艺并降低了成本。”

为了制造自持式水凝胶振荡器并使其成为理想的形状，研究人员将前体溶液注入预定的模具中，对凝胶进行紫外线固化，然后将其从模具中取出。由于实现机器人的原理非常普遍且广泛适用，因此振荡器可以由许多材料构成。

“发现一种利用环境能源产生振荡运动的新普遍原理是令人兴奋的，”他说。“通过这种方式，我们意识到恒定的环境刺激，如光，可以产生强大的振荡，用这种简单的材料在水中推进和移动，由光线定向引导。这提供了一种收集环境能量并转化为动能的一般方法能量和许多其他形式的能量来进行有意义的工作。“

在他们的研究中，赵，他和他们的同事揭示了一种利用天然能源产生振荡运动的新方法。采用这种方法来构建振荡器的研究人员可以根据他们希望收获的能量类型，从广泛的刺激响应材料中进行选择。

由研究人员创造的游泳机器人由光振动提供动力，其运动由恒定光线引导; 因此，它不受限制，无电池且智能化。它是迄今为止开发的首批完全软式机器人之一，重量轻，成本低且易于部署。

“我们现在计划进一步优化材料，以便能够在更宽的条件下振荡，例如温度，光波长等，”赵说。“我们也在寻找更多应用，例如信号传感，能量收集和其他机器人运动。”在未来，一定能让机器人完全脱离电源并更快行动。

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文章来源：Science Robotics

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