这款微型机器人具有逻辑运算能力！

可以设想一下：在温度、pH等环境因素发生变化时，一个微小的软材料仿佛有了生命和思考意识，不断地变换形态，进行逻辑运算……这样可以无需芯片作为“大脑”就具有逻辑运算特性的微型软体机器人，有望为软体机器乃至其他领域提供更多可能。

但传统的机器人依赖电子芯片和大量机械构件实现逻辑运算分析和智能控制，如何将这些繁杂的器件集成到毫米甚至微米级的微型软体机器人身上？这对研究者们是一个巨大的挑战。

对此，西北工业大学化学与化工学院张轩博士、孔杰教授提出，通过环境刺激响应性材料构建逻辑门，将逻辑运算能力整合到微型软体抓手中，实现了以环境刺激响应对微型软体抓手进行智能控制。相关研究成果以Small-scale Soft Grippers with Environmentally Responsive Logic Gates（“具有环境响应性逻辑门的微型软抓手”）为题发表在英国皇家化学会材料领域旗舰期刊Materials Horizons(2022, 9, 1431-1439，论文链接：https://doi.org/10.1039/D2MH00097K).

往期推送中，我们已经对刺激响应性聚合物进行了详细介绍：

在此项研究成果中，使用了一种对不同种类环境信号（如温度、pH、离子、DNA、光、电场、磁场等）产生大小变化等反应的刺激响应性水凝胶材料。将刺激响应性水凝胶材料作为构建块，将预设的特定形态作为输入信息，将水凝胶受环境刺激发生形态变化后的弯曲作为输出信息，形成一个简单的逻辑运算单元（逻辑门）。通过逻辑门的叠加与组合，使刺激响应性水凝胶材料实现与电子芯片工作逻辑类似的运算功能，从而达到智能控制的目的。由于构建出的微型软体机器人通常以展开—弯曲为主要形态表现，弯曲时好似一只微型的“手”，所以又被大家形象地称作“智能抓手”。

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补充卡片：

逻辑门：各类电子芯片的基本组件，执行逻辑运算的电路，它是数字逻辑电路的基本单元。逻辑门的组合使用可以实现任何复杂的逻辑运算。这样的微型智能抓手在设计上具有很强的灵活性，可以根据具体环境的变化（如因发炎导致的温度变化、细菌感染引起的环境变化等），实现自主自由组合运算，达成复杂的智能控制，有望对病灶进行捕获、抓取、击碎等自主智能处理。

微型软体机器人在未来可能用于受限环境（如人体）中，比如：

生物活检：微型软体机器人可以成为一个个小小的“外科医生”，它们微小而不受束缚，能够去到人体通过普通手术工具难以到达的身体区域。它们可以自主智能地穿透或回收细胞组织，收集组织样本和细菌等。有它们帮助，能够降低外科手术的侵入性、减少组织损伤，使手术降低感染风险、缩短恢复时间。

药物控制释放：可利用微型软体机器人在人体内运送药物，通过环境信号控制其释放，帮助改善药物的靶向性。

超微创血栓清除：体积微小、载有溶栓剂药物的微型软体机器人，通过外加磁场控制，能够聚集在特定血栓部位，产生热和力场并释放药剂，成为高效的微血管血栓清道夫。

习近平总书记强调，人工智能是引领这一轮科技革命和产业变革的战略性技术，具有溢出带动性很强的“头雁”效应。以刺激响应性水凝胶为制备材料的微型软体机器人，则是化学与材料领域与新型人工智能交叉融合的重要探索。

未来，此项研究将有望建立更复杂的化学人工智能系统，为微型软体机器人的集成一体化开发提供新的思路。

团队介绍：

张轩，西北工业大学化学与化工学院准聘副教授、硕士生导师，2018年博士毕业于新加坡国立大学。主要从事智能水凝胶材料、水凝胶微型机器人、3D打印智能树脂等研究，以第一或通讯作者在Adv. Mater.等知名期刊发表论文10篇，主持国家级、省部级等科研项目7项。

孔杰，西北工业大学化学与化工学院教授、博士生导师，入选国家级人才项目，2021科睿唯安全球高被引科学家。主要从事超支化高分子设计合成及在电磁功能材料中应用研究工作，主持国家级项目10项，以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Macromolecules等期刊发表论文150余篇，获省部级及以上科技奖励4项。

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文字｜潘子祺 张轩

审核｜孔杰 张啸川

责编 | 马西平

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