重點在于，這根“管子”是自己“生長”出來的，就像植物一樣不斷延長。
這是全球第一個能自己生長出新身體的機器人！沒有剛性鏈條一節(jié)一節(jié)向上推，也沒有一堆吹氣塑料管。它只需要光和一種液體，就能像韭菜一樣從尖端“長”出新身體來，一分鐘能長12cm！
這項研究來自明尼蘇達大學雙城分校的科研團隊，他們開發(fā)了這種前所未有的、使合成材料能夠生長的新工藝。這種新方法將允許研究人員建造更強大的軟機器人，可以在難以到達的地方、復雜的地形和人體內(nèi)部潛在的區(qū)域?qū)Ш?，而無需任何冗余的剛性部件。
受植物與真菌啟發(fā)，利用「光聚合」模擬細胞壁合成
“我們受到了植物和真菌生長方式的啟發(fā)，”該論文的第一作者、博士生馬修·豪斯拉登(Matthew Hausladen)表示“植物和真菌在它們的身體末端生長，無論是在根尖還是在它們的新芽處，這項工作可將其轉(zhuǎn)化為工程系統(tǒng)。”
那植物生長的過程是怎樣的呢？
科研團隊在經(jīng)過充分研究的真菌菌絲、根尖和花粉管的案例中，發(fā)現(xiàn)植物尖端生長時，使用水來運輸轉(zhuǎn)化為堅實根的構(gòu)建塊，該機制有三個原理：
1.增長的主要驅(qū)動力是流體壓力；
2.通過局部細胞壁合成發(fā)生結(jié)構(gòu)生長；
3.流體介導的成分物質(zhì)運輸，其中細胞壁成分通過基于流動和主動方式運輸?shù)郊舛恕?/div>
通過結(jié)合這三個原則，生物體能夠產(chǎn)生很大的力并在尖端伸長，而與周圍環(huán)境的摩擦最小。
受此啟發(fā)，研究人員能夠使用一種稱為「光聚合」的技術(shù)模擬這一過程，利用光將液體單體轉(zhuǎn)化為固體材料，大致過程如下：將流動的單體溶液限制在固定透明通道中，通過LED光照可以選擇性地將流體光聚合成固體，類似于植物的局部細胞壁合成；固化的聚合物可以完全填充通道，再進一步通過流體壓力被進入的單體溶液排出。
想讓固化后的材料順利的“長”出來也沒那么簡單，需要對付一個敵人——摩擦力，由通道-聚合物相互作用產(chǎn)生的摩擦力和粘附力會讓合成材料沒那么容易從通道排出。
一開始，研究人員想要在玻璃通道內(nèi)涂上一種脫模劑，但是脫模劑層總會耗盡，僅通過這種表面改性是不可能成功擠出的。
隨后，團隊又想出一個辦法，在單體溶液中加入PDMS-PEO潤滑劑，這是一種嵌段共聚物，含有約65%的聚（環(huán)氧乙烷）含量，它具有在通道壁上的選擇性吸附能力，在材料的“生長”過程中可以自發(fā)形成潤滑層，并在擠出過程中不斷補充。研發(fā)人員將開發(fā)的制造方法稱為「自潤滑界面光聚合（E-SLIP）」擠出。
一分鐘長12cm的軟體機器人
為了展示E-SLIP的實用性，研究人員創(chuàng)建了一個尖端生長的軟體機器人，由可編程注射泵、連接管和帶有用于光聚合的光源的透明通道組成。
通過注射泵上的狀態(tài)監(jiān)視器設(shè)置和記錄流速，并通過位于機器人底座三通管接頭處的電子壓力傳感器監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)。這些傳感器連接到一個定制的數(shù)據(jù)采集電路，帶有一個微控制器(Teensy 4.0)，用于控制和記錄相機、UVLED和傳感器。
機器人的延伸是用一小段聚合物管（~5 cm）開始的，將單體溶液輸送到機器人頭部的起始通道，流體壓力推動機器人頭部向前，使機器人身體能夠連續(xù)“生長”。
這種不斷“生長”的能里使其能夠執(zhí)行一系列任務(wù)，包括探索、挖掘和穿越曲折的路徑，這突出了合成增長作為一個平臺的潛力，用于各種環(huán)境下的基礎(chǔ)設(shè)施、勘探和傳感的按需制造。
軟體機器人具有生長速度高達12厘米/分鐘和長度高達1.5米的能力，其最終長度受容器中單體數(shù)量的限制。
首次證明軟體機器人可“生長”
該論文發(fā)表在美國國家科學院院刊(PNAS)上，文章標題為“Syntheticgrowth by self-lubricated photopolymerization and extrusion inspired by plantsand fungi”(受植物和真菌啟發(fā)的自潤滑光聚合和擠壓的合成生長)。
“這是第一次從根本上證明這些概念”，該論文的主要作者、明尼蘇達大學雙城分?；瘜W工程和材料科學系創(chuàng)新主席Chris Ellison說。“軟生長機器人可以創(chuàng)造新材料并在移動時‘生長’。這些機器可用于在人類無法前往的偏遠地區(qū)進行操作，例如檢查或安裝地下管道或在人體內(nèi)導航以進行生物醫(yī)學應用。”
這種新工藝在制造中也具有便捷、低成本的優(yōu)勢，由于研究人員的技術(shù)僅使用液體和光，因此無需使用熱、壓力和昂貴的機械來制造和塑造材料的操作。
“這個項目的一個非常重要的部分是我們有材料科學家、化學工程師和機器人工程師都參與其中，”Ellison說：“通過將我們所有不同的專業(yè)知識結(jié)合在一起，確實為這個項目帶來了一些獨特的東西，我相信沒有一個人可以單獨做到這一點。這是一個很好的例子，說明合作如何使科學家能夠解決真正困難的基本問題，同時產(chǎn)生技術(shù)影響。”
論文傳送門：
https://doi.org/10.1073/pnas.2201776119
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