会“喷射”的仿生水凝胶登上Nature Materials!
需要强大推进能力的机器人任务，如跳跃、弹射或弹射，需要功率放大策略，其中动能由预存储的能量产生。
在此，香港中文大学张立教授、卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授以及浙江大学潘程枫研究员报告了一种工程累积应变能量断裂功率放大方法，该方法受到Ecballium elaterium（喷射黄瓜植物）的加压流体喷射机制的启发。他们实现了一种光驱动的水凝胶发射器，它利用嵌入式石墨烯悬浮液的光热响应触发的快速液体汽化。这种汽化导致周围的水凝胶网络内储存可观的弹性能量，然后在0.3毫秒内快速释放弹性能量。这些软水凝胶机器人实现了具有可预测轨迹的高速受控发射。利用累积应变能量断裂方法，制造了一种人工喷射黄瓜，可以将人工种子喷洒到数米之外，并能够最终靠集成的射频识别芯片进一步实现智能播种。这种功率放大策略为推进运动提供了基础，以提高小型软机器人系统的能力。相关研究成果以题为“Fracture-driven power amplification in a hydrogel launcher”发表在《Nature Materials》。
ASEF机制通过一系列实验和模拟得到证明。水凝胶发射器模仿了在喷射黄瓜中观察到的自然过程，其中水果内膨胀压力的积累导致种子爆炸性传播。喷黄瓜的自然种子传播机制及其阶段如图1a，b所示。图1c显示水凝胶发射器中的ASEF机制，并用高速摄像机快照描绘起飞过程。ASEF功率放大方法实现的光驱动水凝胶发射器实现了最高加速度（2.5 × 104 m s–2，2500g，其中g是重力加速度）并发射任何微型工程机器人设备的高度（643个身体长度（BL），对于3毫米厚的发射器来说1.93m；图1d）。这种性能是通过在极短的时间内（0.3ms）释放高驱动力（2876mN，25Ng-1）来实现的，而水凝胶的断裂驱动的快速弹性能量释放促进了这一点（图1c）。总的来说，光热效应导致水凝胶内快速加热和汽化，导致显着变形和弹性能量存储。水凝胶在累积应变下断裂，在不到一秒的时间内释放出储存的弹性能，由此产生高速推进力。
作者深入研究了影响G-水凝胶发射器驱动性能的因素：（1）石墨烯含量——石墨烯含量范围为0.05至0.33wt%，可在光热转换效率和光穿透深度之间提供最佳平衡。石墨烯含量过高（0.43wt%）会导致光穿透性降低和水凝胶过早破裂，以此来降低整体性能（图2a）。（2）含水量——水含量影响水凝胶的极限强度、断裂应变和韧性。较高的含水量通常会增加断裂应变，但会降低极限强度。最佳含水量约为65wt%，通过平衡机械性能和弹性能量存储来实现最佳性能（图2b，c）。（3）光强度——较高的光强度增强光热效应，增加汽化区和驱动力。然而，强度过高有几率会使局部快速加热和能量分布不均匀（图2d）。（4）几何设计——水凝胶发射器的直径和厚度对于最大化存储的弹性能量至关重要。对约7mm的直径和不同的厚度进行了测试，以找到性能的最佳配置（图2e，f）。
作者将水凝胶发射器技术扩展到能够精确且可控运动的软机器人：（1）多向发射——通过在水凝胶块中嵌入多个G-水凝胶发射器，机器人能根据激活的发射器向不同方向发射。控制实验表明着陆位置一致，表明运动控制精确。（2）轨迹控制——通过调整G-水凝胶发射器的放置位置和光照强度，可以精确控制机器人的运动轨迹。模拟和实验轨迹显示出最小的偏差，证实了发射器运动的可预测性和控制。
为了演示实际应用，作者使用G-水凝胶发射器复制了 Ecballium elaterium 的自然种子传播机制：（1）仿生种子传播——3D 打印的半透明树脂外壳用于容纳 G-水凝胶发射器并模仿天然水果结构。然后将人造种子（黑色玻璃珠）放在上面。结果显示该设备成功地高速喷射种子，并记录着陆位置以分析分散模式。该发射器在多次测试中成功率达到96%以上（图4a-e）。（2）智能播种机器人——水凝胶机器人与 RFID 标签集成，旨在在传感床上自主种植种子。智能床包含 RFID 阅读器、土壤供给器、供水器和加湿器。着陆后，RFID 读取器识别种子，触发苗床提供土壤和水。水凝胶吸收水分、膨胀并释放种子，然后种子成功发芽（图4f-k）。
这项工作利用共聚水凝胶网络的弹性与嵌入石墨烯的光热响应引起的水汽化之间的协同作用，提出了一种光驱动的功率放大方法。这种软水凝胶发射器可以有效的进行ASEF推进，具有可控的弹射和自发射运动行为，其特点是起飞加速度极高（2.5 × 104 m s-2；2500 g）、发射高度（643 BL，1.93 m）和超短能量释放时间（0.3 ms）。材料结构设计的关键原则是选择一种兼具高韧性、高弹性并掺杂有光响应填料的基质，以实现快速汽化转变。除了选定的G-水凝胶材料体系外，作者还列出了材料选择的潜在候选材料。作者设想这些材料设计原理将为功率放大机制提供进一步的见解，并在需要快速运动、跳跃或在规定距离内发射物体的领域激发新的设计。
张立，国际电气与电子工程师学会会士（FIEEE）、英国皇家化学学会会士（FRSC）、亚太人工智能学会会士（FAAIA），香港中文大学工程学院杰出学人，香港中文大学机械与自动化工程学系教授，香港中文大学医学院外科学系礼任教授，兼任中国科学院深圳先进技术研究院-香港中文大学机器人与智慧系统联合实验室港方主任。
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