王奔/牛士超/韩志武/郭志光 Nano Today：用于软机器人的仿生水凝胶致动器

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（图片摘自Nano Today官网）

机器人技术正在改变工业和人类的日常生活。机器人作为一个交叉学科，受到了机械工程、计算机科学、材料科学、化学等各学科的高度关注，推动机器人的实际应用从微观/纳米尺度向宏观尺度发展。传统刚性机器人在不损坏脆弱物体的情况下对其进行操作仍然具有挑战性，限制了其在精细任务中的应用。与刚性机器人不同，软体机器人在受到各种机械力时具有变形和适应性，在一些地形复杂的应用场景中具有优势。其中，水凝胶机器人是典型的软体机器人(图1a)。

天然生物为设计和制造具有自主和智能行为的水凝胶机器人提供了丰富的灵感，包括运动、感知和对环境变化的响应。研究特定的身体结构，并将这些结构整合到机器人中，这是很重要的一点。小型化是另一个关键方面，它拓展了传统机器人的应用范围，使机器人能够以微创甚至无创的方式进入传统机器人难以到达的区域，例如在地震后的废墟中寻找伤员，在人体内投放药物等。仿生微型软体机器人近年来逐渐成为一个热门的研究课题。例如，软体动物可以根据来自环境的生物物理和化学信号的复杂协调来进行多模态运动，包括可重构变形、游泳、尺蠖状运动和蠕动。蚂蚁能够通过局部交流，自组织(指自身改变形态和结构)成各种复杂的功能结构，这有助于它们合作完成个体能力之外的复杂任务。通过研究和模拟生物有机体的这些特殊生物结构、运动行为、通信机制和环境相互作用，研究人员设计和制造了具有多模态变形和运动的软水凝胶机器和机器人，用于货物运输、药物输送和传感等广泛应用。

图1. (a) 机器人、软机器人、水凝胶机器人和仿生水凝胶机器人之间的关系示意图。(b) 几种典型的受自然界启发的微型水凝胶软体机器人。

近日，深圳大学王奔教授、吉林大学牛士超教授、韩志武教授与湖北大学郭志光教授在Nano Today上发表了题为《Bioinspired hydrogel actuator for soft robotics: Opportunity and challenges》的综述。在这篇综述中，对于受自然界各种生物启发的水凝胶机器人进行了系统的介绍，所涉及的仿生原型包括水黾、鱼、青蛙、蠕虫、水母、水蛭、花、食肉植物、含羞草和微生物等(图1b)。该综述强调了各类不同的动作模态及其优势，如游泳、爬行、摆动、行走和翻滚。随后，总结了水凝胶机器人在药物输送、传感、细胞输送、货物运输等方面的应用(图2)。最后，该综述讨论了当前这一研究领域的挑战并进行了简要的展望，重点介绍和讨论了未来研究趋势和对未来研究的重要考虑。

图2. 仿生水凝胶微型软体机器人的几种典型应用。

仿生水凝胶微型机器人已经应用于生物医学领域，并在体外和体内都取得了良好的效果。作为水凝胶微型机器人复制自然生物过程的重要起点，材料科学的快速发展有助于将自然灵感融入人工材料，从而增加了临床应用的可能性。因此，需要进行更深入的研究，将合成方法和组装技术结合起来，开发具有最佳物理化学性质和生物功能的仿生水凝胶微型机器人。此外，结合个性化的生物因素可以克服与水凝胶转化为临床应用相关的成本、储存寿命短、降解和其他挑战等问题。此外，精密医学设计融入仿生水凝胶微型机器人，从而更好地适应患者的病理状态。大自然提供了广泛的生物灵感，预计仿生水凝胶微型机器人将给精密医学带来革命性的变化。

相关论文发表在Nano Today上，深圳大学研究生陈云瑞和广西大学张亚斌教授为文章的第一作者， 王奔教授、牛士超教授、韩志武教授、郭志光教授为通讯作者。

论文信息：

Bioinspired hydrogel actuator for soft robotics: Opportunity and challenges

通讯作者：王奔（深圳大学）；牛士超（吉林大学）；韩志武（吉林大学）；郭志光（湖北大学）

其他作者： Yunrui Chen（陈云瑞）,  Yabin Zhang （张亚斌），Hongyuan Li（李宏源），Jie Shen（沈杰），Fangfei Zhang（张芳菲）, Jiajun He （何家俊）, Junzhu Lin （林俊柱）

Nano Today 49 (2023) 101764 

Publication Date:

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2023.101764

Copyright © 2023 Elsevier

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223000130

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