受大自然启发的软机器人肌肉性能改进的水凝胶执行器

由金属和其他固体材料制成的机器人已经在工业中得到广泛应用。但它们对于精细运动活动和与人的互动(例如护理或医学)来说过于僵化和笨重。因此，人们已经对由软材料制成的机器人进行了深入的研究：从水母、蚯蚓、鱼类或人体等大自然中汲取灵感，应该能够使“软机器人”能够灵活移动并适应环境。

基尔大学材料科学研究所的一个研究小组现已开发出一种基于水凝胶的新材料系统，其功能类似于肌肉。软材料可以在短时间内以受控方式再次缩小和放大。例如，它可以接管软机器人中的运动任务。该团队最近在《先进材料》上发表了他们的研究结果。

响应材料对热发生反应

水凝胶，例如隐形眼镜中使用的水凝胶，具有极强的弹性。它们几乎完全由水组成，其机械性能与人体组织相似。特殊的所谓响应性水凝胶可以根据环境收缩高达90%。

“我们的水凝胶具有热响应性，这意味着它们会对热产生反应。温度高于32°C时，它们会释放水，从而减少体积，”该研究的第一作者之一MargaretheHauck博士解释道。当温度下降时，水凝胶再次吸收水分并恢复到原来的体积。

这个过程可以重复任意多次，从而产生一种运动。“基本上，这些水凝胶有潜力像人类肌肉一样发挥作用，”豪克说，她在研究生培训项目“大脑材料”中获得了该主题的博士学位。这使得它们作为新型软机器人开发的执行器组件很有趣。但到目前为止，改变音量的整个过程仍然需要几周的时间——对于大多数应用程序来说太慢了。

世界各地的科学家正在尝试使用各种方法更快地改变这种热响应水凝胶的体积。来自基尔的研究人员在他们的水凝胶中构建了一个由细管组成的网络。“这使得它能够比以前更快地缩小和放大，而不会失去稳定性。相反，它甚至可以施加高达4,000%的力，”功能纳米材料博士生、第一作者LenaSaure解释道。。

“我们的方法遵循自然的例子，”材料科学家FabianSchütt博士说，他是该研究的负责人，也是基尔大学材料科学研究所“多尺度材料工程”的初级研究小组。“植物和动物具有网络化、分层结构的通道系统，用于有效的物质和液体运输，就像人体的毛细血管系统一样。利用这一原理，我们还可以改善软材料的性能。”

石墨烯涂层可实现电气控制

众多相互连接的几微米尺寸的空心管允许水自由地流出和流入水凝胶，从而使其体积快速变化。极薄的石墨烯涂层也使管子具有导电性。通过这种方式，研究人员可以用电流加热水凝胶，并通过触摸按钮来控制水的输送。“当谈到这种软执行器的实际应用时，这是一个至关重要的方面，”舒特说。

因此，整个体积变化现在只需要几个小时而不是几周“我们当然正在努力进一步加快这一过程。”LenaSaure解释说，这也可以通过定向光束实现。“这样做的好处是可以无线控制运动，所以非常灵活。”

该团队可以使水凝胶适应不同的应用。例如，不同的管结构或更高或更低浓度的石墨烯会改变反应时间或施加的力。

NicolaPugno是意大利特伦托大学的固态和结构力学教授，目前作为洪堡研究奖获得者作为基尔大学的客座教授，计算了材料结构的变化如何影响水凝胶的性能。来自赫伦亥姆霍兹中心和德累斯顿工业大学的同事也参与了此次合作。

医疗应用也是可能的

“我们第一次能够以速度和力量移动水凝胶。再加上它对外部刺激独立反应的响应特性，这使我们向用于软机器人的智能高性能材料迈出了决定性的一步。”兼研究培训小组负责人RainerAdelung教授强调了研究结果的重要性。

由于水凝胶具有类似组织的特性，特别是在医学领域的应用是可以想象的，例如在机器人辅助手术、人工组织构建中或作为用于人体内受控药物释放的植入物。

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