物理学家提出了实现更快、更灵活机器人的途径

在该杂志5月15日发表的一篇论文中物理审查信函弗吉尼亚理工大学的物理学家揭示了一种微观现象，这种现象可以极大地改善软设备的性能，例如敏捷灵活的机器人或用于药物输送的微型胶囊。

这篇论文由博士生Chinmay Katke、助理教授C.Nadir Kaplan和荷兰Radboud大学的合著者Peter A.Korevar撰写，提出了一种新的物理机制，可以加速水凝胶的膨胀和收缩。首先，这为水凝胶取代用于制造柔性机器人的橡胶材料提供了可能性，使这些人造材料的移动速度和灵活性接近人手.

软机器人已经被用于制造业，在那里，一个类似于手的装置被编程为从传送带上抓取一件物品——如热狗或肥皂——并将其放在容器中进行包装。但是现在使用的机器依靠液压或气动装置来改变“手”的形状来捡拾物品。

与我们的身体一样，水凝胶大多含有水，在我们周围无处不在，例如，果冻和剃须凝胶。Katke、Korevar和Kaplan的研究似乎发现了一种方法，可以使水凝胶更快膨胀和收缩，这将提高水凝胶在不同环境中的灵活性和功能。

弗吉尼亚理工大学的科学家们做了什么？

生物利用渗透作用进行诸如种子爆裂、植物果实散播或肠道吸水等活动。通常，我们认为渗透作用是水在膜中流动，像聚合物这样的大分子无法通过。这种膜被称为半透膜，被认为是触发渗透作用的必要条件。

此前，科雷瓦尔和卡普兰使用由聚丙烯酸组成的薄层水凝胶膜进行了实验。他们观察到，即使水凝胶膜允许水和离子通过，并且没有选择性，但当离子在水凝胶内释放时，水凝胶会因渗透作用而迅速膨胀，然后再次收缩。

Katke、Korevar和Kaplan开发了一种新理论来解释上述观察结果。这一理论表明，当水凝胶内释放的离子不均匀分布时，离子和聚丙烯酸之间的微观相互作用会使水凝胶膨胀。他们将这种现象称为“水凝胶的扩散性溶胀”。此外，这一新发现的机制使水凝胶的溶胀速度比以前可能的快得多。

为什么这一改变很重要？

卡普兰解释道：软敏捷机器人目前是用橡胶制造的，橡胶“可以完成任务，但其形状会通过液压或气动方式改变。这是不需要的，因为很难将管道网络压入这些机器人，以向其输送空气或液体。”

卡普兰说，想象一下，由于你的神经网络和皮肤下离子的运动，你可以用手做多少不同的事情，做得有多快。因为橡胶和液压系统不像生物组织那样通用，生物组织是一种水凝胶，是最先进的软机器人只能做有限的动作。"

这如何改善我们的生活？

Katke解释说，他们研究的过程允许水凝胶改变形状，然后在比以往任何时候都大的软机器人中“以这种方式更快地”恢复到原来的形状。

目前，只有显微镜尺寸水凝胶卡特说，机器人对化学信号的响应速度足够快，可以发挥作用，而较大的机器人需要数小时才能改变形状。通过使用新的扩散电泳方法，一厘米大小的软机器人可以在几秒钟内完成变换，这有待进一步研究。

能够快速响应的大型灵活软机器人可以提高辅助设备在医疗保健领域，制造、搜索和救援行动用于护肤的化妆品和隐形眼镜。