北卡州立大学尹杰AM：可自发穿越狭缝的环形软机器人

　　突跳（snapping）现象在自然和生活中屡见不鲜，例如捕蝇草、跳跳球等。然而，一般来说，常见的突跳现象都需要不断地靠外界的刺激或者条件变化来实现。比如，电源开关的突跳需要用手指进行拨动。手指每拨动一次，开关就会突跳一次。手指不拨动的时候，突跳也就不会发生。最近，来自美国北卡州立大学尹杰团队的研究者们研发了一种由液晶弹性体做成的圆环。在光照或热响应下，该圆环可以实现自我持续不断的突跳来翻转圆环，也可以自发爬行穿越狭缝。近日，该工作以“Self-sustained snapping drives autonomous dancing and motion in free-standing wavy rings”为题发表在“Advanced Materials”杂志上。文章的通讯作者是北卡州立大学机械航空系副教授尹杰。第一作者是北卡州立大学博士后赵耀。共同作者包括北卡州立大学博士生洪尧烨、漆方杰、赤银鼎以及北卡州立大学机械航空系副教授苏浩。

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　　研究者发现，该圆环在受到合适的温度梯度的作用下，会持续不断的在原地进行突跳（图1）。这种突跳和之前列举的突跳不同的是，尽管外界条件（热梯度）没有变化，但此圆环依旧可以把自我维持突跳。实现这一现象的原因是由于特殊材料性能（液晶弹性体的形状记忆性能）和特殊结构（波状的圆周）共同作用。当圆环置放在加热台上时，会形成一个自下而上的温度梯度，使得圆环会进行由内向外的翻转突跳。当用红外灯从圆环上方加热时，温度梯度变为自上而下，圆环也相应变为由外向内的翻转突跳。这些持续的突跳就像是圆环在翩翩起舞。

图1：液晶弹性体圆环在热表面和红外光照射下原地连续翻转突跳

? ? ? ? 当圆环的对称性被打破的时候，环形软机器人会倾向于沿设定的对称轴方向爬行（图2）。随着对称性的进一步降低，圆环的爬行速度也随之上升。发生这一现象的原因是几何的不对称性会导致圆环在各个部位的摩擦力产生巨大差异，从而最终导致了爬行现象。此外，由于人为引入的不对称性，突跳的姿态也发生了改变。有意思的是，这种爬行也不需要外界条件的改变，也是一种可以自我维持的行为。爬行模态类似与汽车的前驱和后驱，在热表面上，爬行为“前轮”驱动，拉动后面往前走，而在红外灯下，爬行由“后轮”驱动推动整个圆环向前进。研究者也展示了利用狗拉雪橇的方式来承载一定轻量的物体爬行。

图2：不对称环形软机器人可以实现“前轮”驱动（热表面）和“后轮”驱动（红外灯下）的自主爬行，也可以负载一定的重量

研究者们进一步发现，这种环状软机器人甚至可以在滚烫的热水中爬行（图3）。爬行的速度和水位的高度有关。圆环部分没入热水的爬行速度远大于圆圈整体没入水中的爬行速度。这主要是由于前者的热梯度要远大于后者导致的。

图3：不对称环形软机器人可在浅水和深水里自发爬行，但浅水中爬行速度更快
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? ? ? 此外，这种环状软机器人还可以穿过狭小缝隙（图4）。研究者们发现，当其遇到狭小缝隙时，可以通过与周围环境的接触互动，自我调节爬行姿态与身体形状来通过缝隙。可顺利通过的缝隙最窄宽度大约是圆圈宽度的68%。当缝隙宽度进一步下降时，虽然无法穿过，但会经过一系列自我调节进行转向，最终避开狭小缝隙，从而防止被卡在缝隙。

图4：不对称环形软机器人可自发穿越狭缝空间或避开更加狭窄缝隙
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? ? ? ?文章信息：Y.Zhao,Y.Hong,F.Qi,Y.Chi,S.Hao,J.Yin*,Self-sustained snapping drives autonomous dancing and motion in free-standing wavy rings,Adv.Mater.,202207372(2022)