来源：欧宝体肓官网进入 发布时间：2024-08-14 15:59:44
喷瓜是一种葫芦科植物，当果实成熟并受到触碰或震动等外力时，果皮就会破裂。其种子和黏液就像弹丸一样射出，距离达5米之远，被誉为自然界中的“小火箭”。
受到喷瓜的启发，香港中文大学工程学院教授张立团队联合浙江大学研究员潘程枫、美国卡内基梅隆大学教授Carmel Majidi团队，研发了一种可以大幅度的提高微型机器人功率输出的技术，即破裂诱导功率放大策略。他们开发的光驱动水凝胶弹射器在功率输出和运动性能方面，均远超现存的常规微型工程机械系统。相关成果近日发表于《自然-材料》。
审稿人评价，这是一项非常有创意的工作，填补了在软体机器人领域实现功率放大的技术空白。研究团队开发的水凝胶弹射器具有令人印象非常深刻的性能，是在软材料和结构中实现快速运动的一大进步。
当前，微型机器人由于尺寸微小无法承载更多附属设备，且用来制造微型机器人的系列软材料存在能量储备有限、响应速度慢等问题。这些挑战使得微型机器人没办法实现更大的功率输出，限制了其运动能力。
“我们在一次偶然的机会中发现，喷瓜通过液压积累-破裂诱导弹射的方式，将种子喷射到很远的地方。”张立在接受《中国科学报》采访时说。
他们通过一定的调查研究之后发现，在喷瓜的生长过程中，它的果肉转化成黏性液体物质，导致果壁在压力下显著拉伸，弹性能累积。当达到临界压力，喷瓜顶部会破裂，并以很高的速度和加速度将种子喷射出去。
这使研究团队意识到，喷瓜的种子传播方式，或许是一个高性能软材料基质功率放大的典型案例。基于此，张立团队开始构想，是不是能够将喷瓜的特性运用在软体机器人中，从而解决目前该领域的功率放大难题，赋予机器人更好的运动性能。
2022年3月，张立正式带领团队开启微型机器人功率放大研究。经过两年多的努力，他们与合作者研发了适用于软体机器人的破裂诱导功率放大策略，并开发出光驱动水凝胶弹射器，其运动性能和功率输出超出常规的微型工程系统。
所谓破裂诱导功率放大策略，就像是吹破气球的过程，气球不断膨胀，弹性能不间断地积累，直到达到弹性极限，气球被吹破。这个瞬间释放积累的弹性能的过程就实现了功率放大。
在研究过程中，最困难和最关键之处在于底层原理和材料体系的构建。张立和记者说：“我们围绕材料的机械性能、能量产生方式、能量释放控制等各个要素进行十分细致的讨论和交流，并对每个潜在的影响因素进行数百次测试和分析，直到得出准确结论，最终得到破裂诱导功率放大的水凝胶材料体系。”
那么，如何将这一体系运用在微型机器人中？张立团队基于破裂诱导功率放大策略，制备出直径7毫米、厚度3毫米的水凝胶弹射器。该弹射器由具有高韧度和高弹性的水凝胶制成，并嵌入了可进行光热转换的石墨烯纳米片。当弹射器受到近红外线照射时，石墨烯会迅速加热，使水凝胶内部的水分汽化，致使弹射器的体积不断膨胀、变形，产生大量能量。当能量积累至极限时，会撑破弹射器底部，并将累积的能量在0.3毫秒内瞬间转化为动能释放。
测试结果为，光驱动水凝胶弹射器起步速度约为每秒7.5米，超越了其灵感来源喷瓜种子喷射的瞬时速度（每秒2.69米至3.06米），加速度为地球表面重力加速度的2500倍，而垂直发射距离接近两米，是弹射器长度的643倍。其运动性能和功率输出能力均远超现存的常规微型工程系统。
在探索微型机器人在生物医学领域的应用方面，张立团队有着非常丰富的研究经验。他表示，目前这项研究更偏向基础研究和理论突破，但应用前景广阔。
“这项研究使微型软体机器人通过功率放大产生了一个较为可观的力并实现了功率的输出，并赋予微型软体机器人极好的超快运动能力。未来，我们大家都希望将其应用于驱动医疗微型软体机器人，以实现生物工程应用，例如深层组织取样、支架递送和部署等。”
作为一门新兴交叉学科，微型机器人研发仍存在挑战：一是亟须开发更加友好、更具生物相容性的新型材料，以实现微型机器人的应用功能；二是微型机器人的运动性能和环境交互能力，以及无线驱动能力，还有待提升；三是如何在微小尺寸中实现更高程度的集成化。
