北卡州立尹杰团队《Adv. Mater.》：会自发起舞的指环软机器人

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近日，来自美国北卡州立大学尹杰与苏浩团队的研究者们报道了一种指环状的自主软机器人。该机器人可在热表面或红外光刺激下自发舞动，也可以穿越比其直径狭小的缝隙。该舞动指环由液晶弹性体制作而成，在热场驱动下，可以自主持续突跳（self-sustained snapping）来向外或向内翻转，从而实现舞动或爬行。近日，该工作以“Self-sustained snapping drives autonomous dancing and motion in free-standing wavy rings”为题发表在“Advanced Materials”杂志上。第一作者为北卡州立大学机械系博士后赵耀，其它共同作者包括博士生洪尧烨、漆方杰、赤银鼎以及苏浩教授，文章通讯作者为尹杰教授。

研究者发现当把液晶指环放置与热表面时，和表面接触的部分由于受热而快速收缩，而不接触的部分由于热梯度的影响收缩较少，从而使得指环变形成像喇叭花一样的形状。当经过临界状态之后，指环会通过突跳完成一个由内而外的翻转。值得注意的是，当处于适当的温度的时候，整个过程会持续不断的自动重复，看起来就像是一个在翩翩起舞的指环。类似的舞动也可以在红外灯下实现，只不过变成了由外向内翻转，舞姿也更为复杂（图1）。

图1：舞动液晶弹性体指环的制备以及在热表面和红外光下的自发翻转舞动

研究者们进而发现，当人为的减少圆环的对称性的时候，指环就会朝某一特定方向爬行。人为引入的几何非对称性，不但导致了指环本身的形貌产生了巨大的改变，而且也大大改变了跳舞的姿态。有趣的是，这时指环不但可以在爬行的同时通过拉拽一个类似雪橇一样的铝箔运输一定的货物，甚至可以在热水中爬行（图2）。研究者发现，舞动指环在水中的爬行速度和水位高度有关。当水位较低，指环可以部分露出水面时，爬行速度较快；而水位较高，圆圈整体没入水下，爬行速度较慢。这主要是由于前者的热梯度要远大于后者导致的。

图2 舞动指环在各种工况下的定向爬行与自发穿越狭小缝隙

此外，这种舞动指环还可以穿过狭小缝隙。研究者们发现，当圆环遇到狭小缝隙时，会通过自我调节爬行姿态和多次自我尝试，最终通过缝隙。缝隙最窄可比圆圈宽度小32%（图2）。当缝隙宽度进一步下降时，圆环虽然无法穿过，但会经过一系列自我调节进行转向，最终规避狭小缝隙。

该研究为智能自主软机器人设计提供了一个新思路。

原文链接：

Self-sustained Snapping Drives Autonomous Dancing and Motion in Free-standing Wavy Rings

Yao Zhao,Yaoye Hong,Fangjie Qi,Yinding Chi,Hao Su,Jie Yin

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207372

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