由海洋生物启发的软机器人可以走路，滚动和运输货物

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西北大学的研究人员开发了一种充当软机器人的新材料。他们说，栩栩如生的建筑可以以人类的速度，接送和运输货物到一个新的位置，爬上山丘，甚至突破释放粒子。近90％的水重量，厘米大小的机器人在没有复杂的硬件，液压或电力的情况下移动。相反，它由光激活并沿外部旋转磁场的方向行走。

软机器人移动分子

类似于一个四足章鱼，机器人在充满水箱内的机器人功能，使其适用于水生环境。研究人员表示，可以定制微型机器人的动作，以帮助催化不同的化学反应，然后泵出价力。

这柔软的机器人也可以通过分子设计来识别并主动去除特定环境中不需要的粒子，或者使用它们的机械运动和运动来精确地将生物疗法或细胞传递到特定的组织中。

“传统机器人是典型的重型机器，拥有大量硬件和电子设备，无法与包括人类在内的软结构进行安全交互，”他说塞缪尔。粗汞华他领导了这项实验研究。“我们设计了具有分子智能的软材料，使它们能够像任何尺寸的机器人一样行动，并在水下或地下狭小的空间中执行有用的功能。”

“通过将行走和转向动作结合在一起，我们可以编程特定的磁场序列，这些磁场序列是远程操作机器人，并将其遵循平坦或倾斜表面的路径，”莫妮卡奥利瓦尔德拉克鲁斯（Monica Olvera de la Cruz）达到理论上的工作。“该可编程功能允许我们通过具有复杂路由的窄段来指导机器人。”

这项研究本周发表在该杂志上科学的机器人。西北大学位于生病的埃文斯顿。

斯图普是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程董事会的教授。他在麦考密克工程学院， 这温伯格艺术与科学学院,Feinberg医学院。Olvera de la Cruz是McCormick的材料科学和无光度化，化学和化学和生物工程律师泰勒教授。

Stupp和Olvera de la Cruz也分别是主任和副主任生物启发能源科学中心这是一个由美国能源部资助的西北地区能源前沿研究中心。

西北大学在软物质方面取得了进展

这项研究建立在佛陀的之前的工作设计“机器人柔软物质”，它模仿生活海洋生物。在上一项研究中，今年早些时候发布，机器人材料可以通过每12小时一次逐步弯曲分钟的时间尺度并在表面上爬行。现在，目前的突破使机器人以人的速度与人类速度行走 - 大约一步一步 - 并响应转向这些材料以遵循特定轨迹的磁场。

通过耦合对光和磁场的响应，研究人员设计了一个软机器人它还可以通过步行或滚动来提取货物并将其送到目的地。然后，机器人将货物倾倒到新的位置，要么将货物倒过来，让平稳的货物轻轻从机器人身上滑下来，要么表演旋转的“霹雳舞”，将粘稠的物体移出并释放出来。

“这种模仿生物的新材料的设计不仅能更快地做出反应，还能实现更复杂的功能，”斯图普说。“我们可以改变这些合成生物的形状，给它们加上腿，赋予这些栩栩如生的材料新的行走步态和更智能的行为。”这使得他们非常多才多艺，能够胜任不同的任务。”

铁磁控制

机器人精确移动和敏捷的秘密在于它充满水的结构和嵌入的铁磁性排列镍丝骨架。软组件是一个分子设计的网络，其部分允许它对光作出反应，内部容纳或排出水，并具有适当的硬度以快速响应磁场。

西北大学的研究小组使用化学合成技术对水凝胶中的分子进行编程，使其对光作出反应。当暴露在光线下时，机器人的分子会变成疏水性——排斥水——导致水分子逃逸。这种转换使机器人“活过来”，从一个平面的位置弯曲到“站立”。

研究人员发现，这种弯曲能使材料对旋转的磁场做出快速反应，激活其快速行走的能力。当灯光熄灭时，分子会恢复到原来的状态，机器人就会平躺下来，但在LED的提示下，它随时可以在磁场下进行新一轮的活动。

当暴露于旋转磁场时，弯曲机器人中的嵌入式骨架在软分子网络上施加循环力并激活腿部。旋转字段可以被编程为沿着预先确定的路径导航机器人。

“使用理论和计算，我们可以计算光线和磁场的响应，”Olvera de La Cruz说。“这使我们能够以极高的准确性预测和节目步行轨迹。”

新型软体机器人的可能应用

Stupp和Olvera de la Cruz设想这些柔软的机器人材料有可能被用于创造许多应用领域的对象，包括化学生产、环境重要技术的新工具，或作为先进医学的智能生物材料。

“最终，我们想制作可以以协调的方式执行复杂的任务的微型球员的武器，”STUPP说。“我们可以调整它们的分子互动，以互相互动，以模仿海洋中鱼类自然或学校的鸟类和细菌的蜂拥而至。平台的分子多功能性可能导致此时尚未构思的应用。“

这study, “Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields,” was supported by the Center for Bio-Inspired Energy Science, an Energy Frontier Research Center funded by the U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences (award No. DE-SC0000989).

博士李崔丽和学生Garrett Lau的佛陀实验室，奥弗拉德拉克鲁斯实验室的研究生，是本文的主要作者。其他同志队包括西北大学教员唐娜弗里德曼和Pedram Khalili。