刺激响应水凝胶可以感应环境线索并相应地改变其体积，而无需其他传感器或执行器。这可以显着减少所得设备的尺寸和复杂性。但是，由于水凝胶的响应体积变化通常是均匀的，因此实现局部变形和随时间变化的变形的机器人应用变得很困难。

大自然采用了分层方法来解决这些挑战，方法是将运动单元用作异质肌肉组织的构建块，以显示复杂的时空可重编程变形。运动单元由运动神经元和由其轴突末端支配的肌纤维组成。它起刺激反应的作用，响应中枢神经系统（CNS）的电刺激产生单向变形。肌肉纤维的方向和响应速度的变化会产生非均匀硬编码变形所需的结构异质性；对电刺激的位置和强度的按需控制可提供时空可重编程性。

虚拟体素已被用作构建块，用于表示计算机图形应用程序在3D空间中的形状。最近，基于体素的模拟已用于通过控制单个虚拟体素的材料属性来预测结构（包括由智能水凝胶制成的结构）的块体材料属性。虚拟体素也已被用来模拟具有机器人功能的异质结构。但是，将体素作为构建块的物理实现仅限于被动材料，通常是刚性材料，并与增材制造过程结合使用以提高其吞吐量。最近的一项工作是使用基于体素的计算机模拟来优化结构中主动和被动材料的分布，以实现不同的目标，并使用青蛙的心肌细胞作为构建响应结构的构建基元，物理地实现所产生的机制。

最近，加州大学洛杉矶分校贺曦敏和亚利桑那州立大学DanielM.Aukes教授团队使用可寻址和可调谐的水凝胶构件-称为软体素致动器（SVA）-提出了具有可编程时空变形的非均质水凝胶结构。SVA是使用混合溶剂光聚合方法生产的，利用了快速的反应速度和聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）的互溶特性，可产生高度互连的水凝胶孔结构，从而产生可溶胀比，溶胀速率和杨氏模量通过简单的一步铸造工艺即可与SVA单元的批量生产兼容。通过设计每个体素的位置和溶胀特性，并激活体素中的嵌入式焦耳加热器，可以实现时空变形，从而使异质水凝胶结构能够操纵物体，避开障碍物，产生行波并变形为不同的形状。在一起，这些创新为可调整的，不受限制的和高自由度的水凝胶机器人铺平了道路，这些机器人可以适应非结构化环境中的变化条件并做出响应。

受自然界实现按需时空变形的方法的启发，作者引入了可寻址和可调节的构建基块，这些构建基块可以组装成具有“硬编码”或“可重新编程”形状变化的异构水凝胶结构。这些构件，在本文中称为软体素致动器（SVA），在左侧的图1A中显示。SVA单元由响应性水凝胶材料和相应的电连接组成，其灵感来自肌肉组织的运动单元（图1A，右）。由于来自微控制器单元（MCU）的电刺激，SVA单元的变形类似于响应于CNS刺激的肌肉纤维单元的收缩。与其他类型的刺激相反，电刺激的选择是有优势的，因为它可以直接通过小尺寸的微控制器解决SVA，而无需庞大的设备或人工干预。

图1由可调谐和可寻址体素组成的生物启发的异质水凝胶结构的插图。A）软体素执行器（SVA）是可电寻址的构造块，其变形可以由微控制器单元（MCU）控制。SVA与运动单元类似，由运动神经元和相关的肌肉纤维组成，它们响应来自CNS的电脉冲而变形。用于制备SVA的水凝胶的微观结构可以改变，从而产生可调节的材料特性。B）i）不使用嵌入式焦耳加热器（SVAI）的SVA用于创建具有硬编码形状变形的结构，这些结构可响应均匀的温度场，该温度场通过周围的水浴整体作用于整个结构。ii）带有嵌入式加热器的SVA（SVA-II）用于通过在整个结构中形成不均匀的温度场来创建具有按需形状变形的结构。

由可调谐和可寻址体素组成的生物启发的异质水凝胶结构的插图。A）软体素执行器（SVA）是可电寻址的构造块，其变形可以由微控制器单元（MCU）控制。SVA与运动单元类似，由运动神经元和相关的肌肉纤维组成，它们响应来自CNS的电脉冲而变形。用于制备SVA的水凝胶的微观结构可以改变，从而产生可调节的材料特性。B）i）不使用嵌入式焦耳加热器（SVAI）的SVA用于创建具有硬编码形状变形的结构，这些结构可响应均匀的温度场，该温度场通过周围的水浴整体作用于整个结构。ii）带有嵌入式加热器的SVA（SVA-II）用于通过在整个结构中形成不均匀的温度场来创建具有按需形状变形的结构。如图1B所示，已经实现了两种类型的SVA，并在此进行了描述：一种不带嵌入式加热器（称为SVA-I），一种带嵌入式加热器（称为SVA-II）。SVA-I和SVA-II的各种组合可用于设计和制造异构装配。如图1B（i）所示，一种可能的组合是使用SVA-1创建预编程的体素组件。根据由不同溶胀特性（主要是体积变化率和速率）组成的SVA-I的特定排列，可以证明复杂的变形。图1B（ii）所示的SVA的另一种组合使用厚膜表面贴装（SMD）电阻式电阻为10欧姆的SVA-II单元中的焦耳加热器会产生随时间变化和不均匀的温度场，从而导致按需动态变形和实时可重构性。

混合溶剂法与15s快速光聚合步骤的结合对于诱导和固定聚合物链的局部聚集至关重要，从而导致PNIPAAm水凝胶具有开孔结构（图2A（i））。与传统的长时间混合溶剂热聚合方法（对照实验）相比，此类开孔结构在加热和冷却阶段均表现出显着提高的热响应体积变化率（对照实验），前体在整个过程中不断向着均相分子平衡扩散。反应，导致相互连接的孔结构较少，孔壁较厚（图2A（ii））。可以很容易地观察到，在水含量，反应转化率和反应溶剂组成相同的情况下，热聚合水凝胶的消融速度与光聚合水凝胶一样快（图2B（i）），两者的收缩体积几乎相同。样品比光聚合样品慢≈25倍，这可以归因于图2B（ii）的光聚合样品中较低的可观察到的曲折度。

图2.使用混合溶剂光聚合可调节的材料特性。A）以水体积分数φw=0.27（比例尺=5μm）合成的光聚合（i）和热聚合（ii）水凝胶的SEM图像。B）在水体积分数φw＝0.27中合成的光聚合和热聚合水凝胶的溶胀（i）和溶胀（ii）速率。C）SEM图片显示了φw对光聚合PNIPAAm水凝胶的孔结构的影响（低和高放大率分别为10和1μm的比例尺）。D）由SVA-II装置在1gf负载下具有不同φw的值随时间变化的位移。E，F）位移率（DR）和最大位移（SVA-II单位的MD）作为φw的函数（从（B）中提取）。

如图2C所示，已经通过扫描电子显微镜（SEM）研究了φw变化对水凝胶微结构的影响。图2D绘制了当每个SVA的嵌入式加热器打开60s然后关闭60s时，具有不同φw值的SVA单位的位移（D）的时间演变。从图2D中的数据中提取了SVA单位的两个性能标准，即变形率（DR）和最大位移（MD），分别如图2E，F所示。

如图3所示，可以产生多种异质结构，这些异质结构可以转换为不同的配置，具体取决于它们的硬编码材料域。作为第一个示例，仅由HG00和HG02水凝胶制造的只有两个材料域的梁（图3A（i））。第二个示例再次使用HG00和HG02水凝胶，但是这次具有8个材料域，如图3B（ii-iv）所示。这些图中的光束由HG00和HG02体素的不同布置组成，因此，当周围水中温度从20到45°C均匀变化时，它们会呈现出不同的变形。

图3通过图案化具有不同溶胀特性的水凝胶来实现结构的不均匀性。A）i）当周围水浴温度升高到高于PNIPAAm水凝胶的转变温度（32°C）时，由两种材料组成的两区域结构几乎可以弯曲成一个圆形ii–iv）增加了其中的材料域数量该结构使其能够实现更多样化的形状。当周围水浴温度升高时，根据其SVA-I单元的排列，每个结构都会重新配置为不同的形状。B）由（A-i，ii）中具有SVA布置的子结构组成的混合结构能够操纵对象。最左边的示意图中显示了用StrI和StrII表示的两个示例结构中的材料分布。随着全局水浴温度升高然后降低，快照显示了两个结构随时间的配置。C）该图像显示了由Str-I（左）和Str-II（右）操纵的对象的开始位置，结束位置和轨迹。D）被操纵物体的质心的x和y坐标的时间演化。StrI在t=s时释放对象，而StrII在t=s时释放对象，证明了基于体素的装配方法可创建具有多种功能的异质结构的多功能性。

两种结构中材料域的几何构型相同。但是，StrI的“抓取器”部分是HG00/HG03域的组合，而在StrII中是HG00/HG02域的组合。由于这种微小的材料差异，尽管初始条件相同，但由Str-I和Str-II抓住的物体沿不同的轨迹移动，如图3C所示。由于HG03在冷却阶段的高DR（图2E），Str-1中的夹持器打开，并且在冷却阶段的早期释放了物体。与HG03相比为了说明这些差异，在图3D中绘制了对象随时间的x和y坐标，并指出了每种结构释放对象的时间。使用具有硬编码变形的结构来实现对均匀全局刺激的响应，从而实现非均匀变形，从而简化了系统，并消除了对车载电源的需求。

对于动态的，非结构化的环境中的应用（例如水下机器人探索），由于全局刺激控制并不总是可行的，因此将复杂的轨迹预先编程到结构中的作用较小。为了在这些条件下实现按需的热响应形状变形，可以使用SVA-II单元，如图1B（ii）所示。图4A中所示的40×11×5mm结构是使用16个SVA-II单元组装而成的。这些SVA由HG03制成，其在所有配方中均表现出最高的DR（图2E）。按需形变的第一个例子如图4B（i）所示，其中当通过微控制器的命令激活特定的SVA时，结构变形成“S”形和“反S”形。图4B（ii）说明了按需形变的第二个示例；它强调了结构的曲率如何根据提供给SVA-II单元的电压而变化。

图4由16个可寻址SVA-II单元组成的微型异构结构。

从静态按需更改为动态形状需要激活随时间变化的SVA。如图4C所示，SVA驱动模式的选择会影响结构的末端执行器轨迹。在该实验中，根据P1和P2表示的模式激活SVA1至8。在激活下一个SVA之前，每个SVA均以最大电压（3.7V）激活15s，如图4C所示。例如，图4D中显示了四个SVA对的正弦信号。使用相同的正弦信号激活一对SVA（左侧包含一个SVA，右侧包含一个相邻的SVA）；SVA4和12未激活，不能用作几何参考点。施加到每个SVA对的正弦电压与施加到最接近的有源SVA对的电压异相8rad。如图4E所示，收缩波是由于该输入信号模式而形成的，并沿着结构的长度传播。如图4F所示，在结构内按时间顺序切换选定的SVA-II单元可以完成各种机器人任务，例如避免碰撞（上排）和对象运输（下排）。在这两个任务的每一个过程中，端点p的轨迹和端板随时间的角度θ（在图4A中定义了p和θ）在图4G中显示。

参考文献：doi.org/10./adma.

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