《PNAS》发布三校联合研究成果实现微型软体机器人多物理场响应特性与驱动解耦

小型软体机器人，凭借其多物理场响应能力，在适应环境刺激和执行复杂任务方面具有独特优势。它们为传统刚性机器人领域带来了柔软与灵活性的新选择。尤其在形状变形这一关键特性上，小型软体机器人能够通过内部应力的变化，实现从二维(2D)电子器件到三维(3D)结构器件的转变，这使其在医疗康复、人工智能及柔性电子等多个领域内展现出了巨大的应用潜力。

然而，尽管前景广阔，目前在这一领域的研究与开发仍面临诸多挑战。现有研究成果普遍反映出以下问题：一是多重响应之间的相互影响，二是装配制造工艺的复杂性，三是加工精度不足。这些问题限制了微型软体机器人在执行任务时形态切换和步态转换的能力，同时影响了它们的智能化和可操控性的提升，使得机器人的自由度、多功能性以及步态转换和形态切换的流畅性受到限制。

鉴于此，探索并开发一种具备可编程性、高精度和简单性的通用制造方法变得尤为迫切。

据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿，近日，由德国马普所联合西安交通大学和北京理工大学研究团队针对上述难题进行了深入研究，该研究团队创新性提出了一种基于激光逐层加工的一体化编程制造策略，通过对多层异质薄膜材料的选区、逐层加工，巧妙地实现了微型软体机器人的多物理场响应特性与驱动解耦。

这种解耦形状变形允许独立地对每个变换步骤进行编程，从而增强系统的自由度和整体功能。结合干凝胶、激光诱导石墨烯和全材料激光图案化，该方法能够创建多种具有复杂三维形态的结构。

为了理解潜在机制，研究团队开发了异质薄膜结构力学模型并通过多物理场耦合有限元分析来预测和设计形状变形行为。作为概念验证，研究团队展示了双稳态结构的连续转变，并演示了类似蝎子运动的形态。凭借其高度的可编程性，多步变形软机器人(MSSM)可用作自适应环境的逻辑控制电路开关，并可作为维护机器人用于电路修复，发挥其解耦的形状变形能力，具备了前所未有的操控灵巧性与功能复杂性。

该研究成果的相关论文以“Single-step precision programming of decoupled multiresponsive soft millirobots”为题发表在美国《国家科学院院刊》(PNAS)。论文共同第一作者为马普所博士后郑志强博士、西交大韩捷博士及北理工石青教授。

可多物理场响应的多层异质薄膜材料

据郑志强博士补充介绍，多层异质薄膜材料是团队2023年发表在《先进科学》(Advanced Science)的论文“Electrodeposited superhydrophilic-superhydrophobic composites for untethered multi-stimuli-responsive soft millirobots”中首次提出的(公众号导读：软体机器人新突破：电沉积水凝胶技术攻克亲-疏水性材料结合难题)，这次的工作就像用激光将一块璞玉雕刻成器，推动了微型软体机器人的智能化和功能化，因此一轮2位审稿人用12个Yes对本工作的创新性和重要性表示一致认可。

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