自然界中生物可以控制片狀器官產(chǎn)生多樣的三維波浪形貌，并利用波動來實現(xiàn)豐富的功能，例如海蛞蝓利用片狀足底產(chǎn)生的肌肉波浪來實現(xiàn)在海底爬行，哺乳動物利用消化道的蠕動來傳輸食物。相比之下，人造柔性機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的波動遠(yuǎn)不及自然系統(tǒng)生物體波動形貌和功能的多樣性。如果能夠設(shè)計和創(chuàng)造出一種新穎的柔性形變機(jī)器人系統(tǒng)，不僅能夠自適應(yīng)地在單片人造肌肉（MSAM）上編程實現(xiàn)多種三維波浪形貌，還能夠同時實現(xiàn)三維波浪的自持續(xù)運(yùn)動。這種自持續(xù)的波動柔性機(jī)器人系統(tǒng)將具備推進(jìn)、運(yùn)動、傳輸功能，為自動機(jī)器人、自持續(xù)柔性機(jī)器、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供無限可能。
近期，西湖大學(xué)工學(xué)院呂久安團(tuán)隊開發(fā)出了一種可以在單片柔性人造肌肉（MSAM）中實現(xiàn)三種自發(fā)行進(jìn)波的軟體機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以產(chǎn)生三種不同的光致三維波動行為，分別為扭曲引發(fā)的扭轉(zhuǎn)波形運(yùn)動、邊緣波動、中心波動（圖1）。系統(tǒng)的核心設(shè)計理念結(jié)合了兩個不同的生物智能實例所采用的原理，即植物葉片不同三維波浪的形貌產(chǎn)生原理，以及鰩目魚胸鰭的波動運(yùn)動原理。前者提供了一種三維波浪形狀選擇機(jī)制，能夠通過差異性生長使 MSAM 自發(fā)形變成不同的三維波浪形貌，而后者提供了一種驅(qū)動原理，通過節(jié)律性運(yùn)動模式使得所構(gòu)建的三維波能夠產(chǎn)生自持續(xù)傳播。該系統(tǒng)由兩部分組成，如圖2a所示。其一是驅(qū)動單元，由平直的、受限的 MSAM 組成，MSAM可以局部生長、變形、自適應(yīng)成型為目標(biāo)三維波型；其二是一個可程序化重構(gòu)的光學(xué)裝置，這個光學(xué)裝置可以提供結(jié)構(gòu)光圖案，所使用的光學(xué)裝置是具有灰度圖的商業(yè)投影儀或配備有光掩膜板的光源。通過切換結(jié)構(gòu)化光，三種波型可以原位自由切換（圖2h）。為了清晰理解三維波浪產(chǎn)生和傳播的機(jī)制，團(tuán)隊結(jié)合植物波浪形態(tài)發(fā)生和鰩魚波動運(yùn)動機(jī)制對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了闡述，強(qiáng)調(diào)了靜態(tài)光輸入誘導(dǎo)材料固有的光機(jī)械耦合相互作用的對波浪形貌和自動波動的重要性（圖3）。該系統(tǒng)采用的光致三維波浪形態(tài)產(chǎn)生機(jī)制和自發(fā)波動機(jī)制可廣泛地適用于刺激響應(yīng)材料的三維形態(tài)產(chǎn)生和功能開發(fā)，能夠為可編程的柔軟的機(jī)器人、柔性發(fā)動機(jī)/馬達(dá)/泵、自動能量鋪獲和轉(zhuǎn)換、微機(jī)械系統(tǒng)等前沿高新技術(shù)領(lǐng)域提供新設(shè)計和新思路。該工作以“Photomorphogenesis of Diverse Autonomous Traveling Waves in a Monolithic Soft Artificial Muscle”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上， 西湖大學(xué)博士研究生趙桐輝為第一作者，呂久安研究員為通訊作者，該研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助支持。
圖 1 仿生原理。（a）植物葉片的三種不同 的三維波浪形狀：扭曲形狀、邊緣波形狀、中心凹凸起伏形狀。（b）鰩魚的波動運(yùn)動。（c） 結(jié)合上述植物葉葉片形貌產(chǎn)生和鰩魚波動的兩個原理，設(shè)計了一種利用結(jié)構(gòu)化靜態(tài)光在單片柔性人造肌肉中產(chǎn)生三種三維波形并同時實現(xiàn)自發(fā)波動運(yùn)動的柔性機(jī)器人系統(tǒng)。
圖2 三維波浪運(yùn)動。（a）自發(fā)波動運(yùn)動的柔性機(jī)器人系統(tǒng)裝置由兩個單元組成：1. 受限的 MSAM 所構(gòu)成的變形單元；2.可圖案化、可編程的光源作為控制單元。 (b, d, f) 實驗得到的三種不同類型的三維波：扭轉(zhuǎn)波、邊緣波和中心波。（c, e, g）三種不同三維波隨時間變化的位移軌跡曲線。（h）通過調(diào)制光斑的結(jié)構(gòu)化圖案，可以在三種不同的三維波之間展開原位可逆自由轉(zhuǎn)換。
圖3 光驅(qū)動自發(fā)波動運(yùn)動的柔性機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計策略。（a）受植物葉片三維波浪形態(tài)產(chǎn)生啟發(fā)的形變原理。（a1）顯示系統(tǒng)中單片軟人工肌肉（MSAM）原始屈曲狀態(tài)的示意圖。屈曲的 MSAM 兩端被固定。（a2）顯示 MSAM 在垂直光照射下的平坦?fàn)顟B(tài)示意圖。（a3, a4, a5）當(dāng)光斑的強(qiáng)度被圖案化分布，從均勻轉(zhuǎn)變到不均勻時，產(chǎn)生三種不同的三維波狀形態(tài)（扭轉(zhuǎn)波、邊緣波和中心波）。（b3, b4, b5）由非均勻結(jié)構(gòu)光斑輻射下，MSAM產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波、邊緣波、中心波。（c）三種三維波型的有限元模擬。（d）MSAM 光機(jī)械耦合產(chǎn)生自動波動示意圖。（e） x 軸方向誘發(fā)的節(jié)律性、周期性、圖案化光強(qiáng)分布。
圖4 三維波動應(yīng)用展示。（a）波動的MSAM兼具電動機(jī)和輸送帶的功能，克服重力來運(yùn)輸貨物。（b）S形軌跡運(yùn)動的蠕動波。（c）MSAM上同一位置產(chǎn)生的中心波分裂成夾角為~30°的兩個蠕動波。（d）菱形軌跡運(yùn)動的蠕動波。（e）三角形軌跡運(yùn)動的蠕動波。（f）利用蠕動波推動兩個物體產(chǎn)生完全不同的運(yùn)動軌跡。（g）兩個蠕動波推動兩個物體在MSAM表面相向運(yùn)動。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02000
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