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  基于智能軟材料的軟體機(jī)器人具有和傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人類似的感知外界刺激，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)行為的能力，同時(shí)具有和生命體更加匹配的力學(xué)性能，更友好的人機(jī)交互界面，預(yù)期能更好地模擬自然界的各自生物運(yùn)動(dòng)模式，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。隨著其深入發(fā)展，人們提出了越來(lái)越高的期望，比如能夠?qū)崿F(xiàn)軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)行為的按需重構(gòu)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。從材料角度，具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵，異質(zhì)結(jié)構(gòu)往往通過化學(xué)交聯(lián)的方式來(lái)固定，一旦形成，很難改變，這導(dǎo)致軟體驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)行為較為單一，且難以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行重新編輯。近年來(lái)，科研人員們利用一定刺激下的可逆反應(yīng)初步實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，使同一軟體機(jī)器人能夠展現(xiàn)多模式驅(qū)動(dòng)行為。但目前報(bào)道的重構(gòu)過程通常需要高溫加工、圖案化光場(chǎng)、化學(xué)處理、精密設(shè)備等復(fù)雜操作，實(shí)際應(yīng)用受到了限制。如何在溫和條件下實(shí)現(xiàn)軟體驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人的便捷重構(gòu)仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

  針對(duì)這一問題，東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室游正偉教授團(tuán)隊(duì)采用模塊化的思想提出了宏觀任意愈合組裝 (Macroscopically discretionary healing-assembly)策略，利用材料自愈合性，實(shí)現(xiàn)了軟體驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人的便捷高效重構(gòu)。相關(guān)成果以“A New Strategy of Discretionarily Reconfigurable Actuators Based on Self-Healing Elastomers for Diverse Soft Robots”為題，發(fā)表于材料學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。東華大學(xué)材料學(xué)院碩士生樓佳銘是論文的第一作者，博士生劉增賀是論文的共同第一作者，游正偉教授是該論文的通訊作者。

圖1. 基于自愈合聚肟氨酯材料的宏觀任意愈合組裝的可重構(gòu)軟體機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

  游正偉教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事彈性體研究，近年來(lái)在自愈合彈性體領(lǐng)域取得系列進(jìn)展 (Nat. Commun. 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-24680-x; Natl. Sci. Rev. 2021, 8: nwaa154; Adv. Mater. 2019, 31: 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29: 1901058; Sci. China Mater. 2021, 64: 1791; Mater. Chem. Front. 2019, 3: 1833)，特別是在動(dòng)態(tài)聚肟氨酯彈性體方向開展了較為系統(tǒng)的研究 (邀請(qǐng)綜述：Chinese J. Polym. Sci. 2021, DOI: 10.1007/s10118-021-2625-9)，本工作以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)構(gòu)建軟體機(jī)器人。通過控制交聯(lián)度便捷制備了對(duì)溶劑具有不同的溶脹度的聚肟氨酯模塊，模塊之間由于其自愈合性，可以組裝結(jié)合為異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過不同模塊簡(jiǎn)單自由的組合，可以靈活構(gòu)建在溶劑刺激下驅(qū)動(dòng)行為各異的軟體機(jī)器人；這些組裝的機(jī)器人能夠被任意裁剪成簡(jiǎn)單模塊，再重新愈合組裝，構(gòu)筑具有新的驅(qū)動(dòng)行為的軟體機(jī)器人(圖1)。

圖2. 自愈合聚肟氨酯材料設(shè)計(jì)及宏觀任意愈合組裝策略展示

  圖2以雙層驅(qū)動(dòng)器為例，闡述了自愈合軟體驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)建和重構(gòu)過程。交聯(lián)的聚肟氨酯(CPDOU)和線性的聚肟氨酯(NPDOU)無(wú)縫愈合為一個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)肟氨酯鍵在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處重組，賦予了驅(qū)動(dòng)器良好的界面結(jié)合強(qiáng)度。不同交聯(lián)度的聚肟氨酯在溶劑中的溶脹速率和溶脹度不同，從而雙層結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器能在溶劑刺激下發(fā)生可逆的變形(圖3)，并在循環(huán)驅(qū)動(dòng)中展現(xiàn)了出色的穩(wěn)定性。通過調(diào)整兩層的幾何參數(shù)可以有效調(diào)控驅(qū)動(dòng)器在溶劑刺激下的變形程度。

圖3. 雙層驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能及良好界面結(jié)合。

  驅(qū)動(dòng)器的自愈合性是實(shí)現(xiàn)宏觀任意愈合組裝策略的關(guān)鍵。作者考察了上述雙層驅(qū)動(dòng)器在切斷后原位愈合和翻轉(zhuǎn)后再對(duì)接愈合兩種組裝模式對(duì)驅(qū)動(dòng)器的愈合性能的影響(圖4)。由于斷裂面之間的動(dòng)態(tài)肟氨酯鍵和氫鍵的作用，驅(qū)動(dòng)器在兩種愈合模式下均展現(xiàn)出快速的愈合。在室溫愈合15 min后，在兩種模式下愈合樣條均展現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能的恢復(fù)，可以被拉伸到至少200%而不發(fā)生斷裂。

圖4. 雙層驅(qū)動(dòng)器的室溫愈合性

  以上述的異質(zhì)雙層驅(qū)動(dòng)器和原有同質(zhì)聚肟氨酯為模塊，通過對(duì)模塊的數(shù)量、形狀和排列的簡(jiǎn)單組合，作者構(gòu)建了一系列傳統(tǒng)的制造方法難以制備的具有不同3D驅(qū)動(dòng)行為的軟體機(jī)器人（圖5）。

圖5. 模塊化愈合組裝策略構(gòu)建驅(qū)動(dòng)行為各異的軟體機(jī)器人

  接著作者展現(xiàn)了使用宏觀任意裁剪愈合組裝策略來(lái)實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的重構(gòu)（圖6）。首先從一個(gè)長(zhǎng)條狀的驅(qū)動(dòng)器出發(fā)，調(diào)整模塊的組合方式，使該驅(qū)動(dòng)器能夠展現(xiàn)C形、S形、波浪形三種不同的驅(qū)動(dòng)模式。然后以人形軟體機(jī)器人為例，通過改變“手臂”、“身體”和“腿”模塊的排列，其在同一溶劑刺激下的驅(qū)動(dòng)變形能夠在跪姿、擁抱和瑜伽坐角式三種姿勢(shì)中相互切換。除了改變驅(qū)動(dòng)行為，該策略還能夠賦予驅(qū)動(dòng)器一些特定功能，比如作者將僅發(fā)生簡(jiǎn)單彎曲變形的長(zhǎng)條狀驅(qū)動(dòng)器重構(gòu)成一個(gè)四臂式機(jī)器人，在溶劑刺激下該機(jī)器人能夠舉起自重1.5倍的鋁板。該策略中對(duì)驅(qū)動(dòng)器的拆解及模塊的再組裝過程簡(jiǎn)便靈活，從理論上講，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限重構(gòu)，通過合理的設(shè)計(jì)，有望構(gòu)建出多模式、多功能的軟體機(jī)器人。

圖6. 軟體驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人的室溫便捷靈活重構(gòu)

  該工作基于材料自愈合性，提出了一種宏觀任意愈合組裝策略，通過簡(jiǎn)單模塊的拆解組裝愈合在室溫下實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的靈活的構(gòu)筑和重構(gòu)，整個(gè)過程無(wú)需其他刺激和特別設(shè)備，室溫下可反復(fù)多次進(jìn)行，展現(xiàn)了前所未有的便捷性。基于材料的本征自愈合性實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人重構(gòu)的思路，此前未見報(bào)道，該策略可以拓展到磅礴興起的其它自愈合材料，為新一代軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造提供新的思路，同時(shí)也擴(kuò)寬了自愈合材料的應(yīng)用范圍。

  該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202008328

  團(tuán)隊(duì)主頁(yè)：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp