智能材料-人和机器更美好的未来

1.智能材料，也称为响应材料，是具有一种或多种特性的合成材料，这些特性可以通过外部刺激发生改变，比如应力、温度、湿度、pH、电场或磁场、光照或化学物质等。因为智能材料刺激响应的独特性质，其已经成为许多应用的基础，包括微创手术、柔性机器人、智能传感器以及柔性电子等。结合智能材料研究的最新趋势，未来的智能材料和功能结构设计将会颠覆现有的设计理念^[1]。智能材料将会更多的用于人体微创手术、体内药物运输、人机交互、生理信号传感、人体康复等等，将在生物医学工程领域大放异彩。智能材料将会推动社会科技的发展，用于改善人们的健康水平和生活质量。同时，基于智能材料的机器人将不仅仅是简单的柔性机器人，未来的机器人可能会生长、再生，像变形金刚一样去改变形状去适应物理环境，并且还可以生物降解。未来机器人将不会是纯粹的机械构成的，而是整合了生物工程和化学材料优势的智能柔性机器人。人工智能将会应用于形变机器人的控制，超越现有的机器操控，实现更加优异的操控。总而言之，未来的智能材料会超越现有的材料，将有更好的生物相容性和更加丰富的功能，给予人和机器一个更美好的未来。

2.智能材料在生物医学工程领域的应用

1）磁控智能材料用于微创手术

能够以远程操控方式导航的柔性材料在不同的领域，特别是在医疗应用领域有着巨大的前景。然而，现有的柔性机器人却是由于传统驱动固有的小型化挑战，如充气驱动或液压驱动或嵌入刚性磁铁，通常只能实现毫米或厘米尺度的机械结构。此外，传统机器人在导航过程中所面临的摩擦阻力是他们在医学应用中面临的另一个挑战。麻省理工赵选贺团队通过在柔性材料中规划铁磁结构域，同时在其表面修饰水凝胶皮肤，实现了一个亚毫米级、具有润滑表面的、基于磁力驱动的全向转向的导航机器人。机器人的身体大小只有几百微米，而且水凝胶皮肤可以减少10倍以上的摩擦力。该团队演示了机器人在复杂环境中，如伴有多个动脉瘤的脑血管中导航的能力，如图1所示。由于它们细小的身体、独立的驱动和直观的操控，这个柔性机器人可能为以前难以触及病灶的微创手术开辟新道路，从而帮助解决医生在手术过程中遇到的挑战。该研究以“Ferromagnetic soft continuum robots”发表在Science Robotics上^[2]。

文献链接：

DOI: 10.1126/scirobotics.aax7329

图1 磁控柔性智能材料在人体血管中导航示意图

2）医用双面胶5 s实现牢固粘合

两个干燥的表面通过分子间作用力（如氢键，静电作用和范德华力等）一接触就可以立即粘在一起。然而，这种瞬间粘附对于湿润表面，如生理组织是具有挑战性的，因为水分离了两个表面的分子，抑制了分子间键的形成，从而阻止了黏附。虽然组织黏合剂有潜力优于手术缝合，然而现有的液体或水凝胶组织粘合剂存在几个局限性：粘合力小、生物相容性低、过程缓慢等。因此，麻省理工赵选贺团队提出了一种双面胶，可以去除湿润组织界面间的水分子而形成有力粘附。如图2所示，双面胶可用作生理组织粘合剂和密封胶，并用于可穿戴、可植入设备和生物组织的粘合。该研究以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices”发表在Nature上^[3]。 

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-019-1710-5

图2 双面胶用于粘合人体组织

3）4D打印形状记忆聚合物心脏封堵器

封堵器植入术是临床上治疗先天性心脏病的一种有效方法。然而，目前大多数商业临床封堵器是由不可降解的金属制成的，这可能会导致穿孔、过敏和糜烂等并发症。在这项工作中，哈尔滨工业大学冷劲松团队结合4D打印技术，提出一种新的、可个性化设计的、生物可降解的和远程控制的形状记忆聚合物封堵器。良好的细胞相容性和组织相容性有利于肉芽组织的细胞粘附和向内生长进入封堵器，从而促进快速内皮化。此外，个性化形状记忆封堵器可以确保理想的配合，并为缺陷提供足够的支持。因此，4d打印的形状记忆聚合物封堵器有望成为金属封堵器的潜在替代品。该研究以“4D-Printed Biodegradable and Remotely Controllable Shape Memory Occlusion Devices”发表在Advanced Functional Materials上^[4]。

文献链接：

DOI: 10.1002/adfm.201906569

图3 磁控形变材料用于治疗先天性心脏病

3.基于智能材料的柔性机器人

1）全地形适应的软体机器人

由具有外界刺激响应的软材料组成的软机器人有望完成传统刚性机器人无法完成的任务。尽管在过去几年取得了良好的进展，机器人在各种表面上的移动仍然具有挑战性。武汉大学薛龙建团队通过模拟壁虎刚毛的各向异性摩擦和毛毛虫的步态，提出了一种具有良好的地形适应能力和大负荷承载能力的足部柔性机器人。这个机器人被称为有足软体机器人，如图4所示，由仿生壁虎的三角形微柱作为足部，身体由带状的PDMS 和带状的石墨烯/PDMS复合材料交替排列组成。可以利用从紫外到红外的全波段光进行远程驱动有足软体机器人，以毛虫般的步态移动。这个机器人的脚可以在不同粗糙度、不同坡度和不同干燥程度的地形上单向移动，工作温度范围广，还可以携带重量约为自身重量50倍的货物。有足软体机器人将为各种自然地形的软体机器人设计提供灵感。该研究以“Bioinspired footed soft robot with unidirectional all-terrain mobility”发表在Materials Today上^[5]。

文献链接：

DOI: 10.1016/j.mattod.2019.12.028

图4 壁虎和毛毛虫复合仿生机器人

2）基于电控液晶弹性体的独立系统机器人

软管驱动器在自然界和工程中有着广泛的应用。很多智能材料被用来制备软体驱动器，如气动驱动器、介电弹性体、智能水凝胶等等。每一种驱动方式都有其局限性，包括制造过程复杂、控制电压高或需要水环境等。因此加州大学圣迭戈分校的Shengqiang Cai团队使用一种新兴的人造材料:液晶弹性体，设计和制造软管驱动器，可以很容易地编程应变模式。通过外部施加的电压，管状致动器可以实现多方向多自由度弯曲和均匀收缩变形。该团队利用多个管状驱动器，构造了一个独立系统的机器人（如图5所示）。该研究以“Electrically controlled liquid crystal elastomer–based soft tubular actuator with multimodal actuation”发表在Science Advances上^[6]。

文献链接：

DOI: 10.1126/sciadv.aax5746

图5基于液晶弹性体的四足机器人

3） 光驱动软凝胶机器人

软体水生无脊椎动物能够在水下以不同的方式移动。由于难以实现精确的变形，以及现有的智能响应材料在水下的驱动效率低下。因此，通过小型软体机器人再现这种多模态的水中运动是一个挑战。解决这一挑战并设计出有效的可以在水环境中无线操控的软材料，将大大拓宽其在生物医学设备中的应用潜力。德国斯图加特马普智能系统研究所的梅廷·西蒂(Metin Sitti)领导的研究人员使用具有固有光响应性和分子各向异性的整体液晶凝胶(LCGs)模拟海洋无脊椎动物常见的运动模式。通过选择性光照引起的局部变形，实现了多种水下运动模式，如爬行、行走、跳跃和游泳。研究结果证明LCGs的物理力学特性在实现光驱动机器人的水下多种模式运动中的关键作用。如图6所示，在光的脉冲作用下，一条细长的软凝胶在水下活跃起来。该研究以“Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels”发表在PNAS上^[7]。

文献链接：

DOI: 10.1073/pnas.1917952117

图6 光驱动的软凝胶机器人在水下运动

4.基于智能材料的传感器

1）便携式触觉平台

触觉平台可以重建触觉体验，是改善人机交互的必要条件。然而，目前，触觉平台主要有以下不足：可感知的触觉有限或设备庞大。在细小的平台上实现复杂的触感设计和制造仍然是一个挑战。为了克服力反馈机器人小型化的物理限制，洛桑工业技术学院的Jamie Paik教授团队采用折纸原理实现了可携带的、精确的和可伸缩的传感器。这个细小平台上提供了三个自由度的力反馈。该团队在实验中利用该设备控制空中无人机、掠夺虚拟物体并感受虚拟环境下的人体解剖结构。该研究以“A portable three-degrees-of-freedom force feedback origami robot for human–robot interactions”发表在Nature Machine Intelligence 上^[8]。

文献链接：

DOI: 10.1038/s42256-019-0125-1

图7具有三个自由度力学反馈的智能传感器

2）全柔性磁电式振动传感器

小型化和柔性化是磁电式振动传感器发展的重要方向，然而具有特定磁极序列的柔性永磁体限制了全柔性磁电式传感器的实现。天津大学的黄显团队研制了一种全柔性磁电式振动传感器，将柔性振子置于由多层柔性线圈、环形柔性磁薄膜和弹性薄膜构成的结构中。该振动传感器拥有广泛的频率响应，可以用于生物物理传感、运动检测、语音识别和机器诊断等。这一传感器能够承受重复的弯曲和变形，因此能够安装在皮肤和机器表面，还可以结合多种传感和能量收集模式，实现无电池的持续使用，并可以大量部署，进行分布式传感，用于机器状态评估、健康监测和语音援助等。该研究以题为“Fully Flexible Electromagnetic Vibration Sensors with Annular Field Confinement Origami Magnetic Membranes”发表在Advanced Functional Materials上^[9]。

文献链接：

DOI: 10.1002/adfm.202001553

图8 全柔性磁电式振动传感器示意图

参考文献：

[1] Y. Kim, G.A. Parada, S. Liu, X. Zhao, Ferromagnetic soft continuum robots, Science Robotics, 4 (2019) eaax7329.

[2] H. Yuk, C.E. Varela, C.S. Nabzdyk, X. Mao, R.F. Padera, E.T. Roche, X. Zhao, Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices, Nature, 575 (2019) 169-174.

[3] C. Lin, J. Lv, Y. Li, F. Zhang, J. Li, Y. Liu, L. Liu, J. Leng, 4D‐Printed Biodegradable and Remotely Controllable Shape Memory Occlusion Devices, Advanced Functional Materials, (2019) 1906569.

[4] X. Wang, B. Yang, D. Tan, Q. Li, B. Song, Z.-S. Wu, A. Del Campo, M. Kappl, Z. Wang, S.N. Gorb, S. Liu, L. Xue, Bioinspired footed soft robot with unidirectional all-terrain mobility, Materials Today, (2020).

[5] Q. He, Z. Wang, Y. Wang, A. Minori, M.T. Tolley, S. Cai, Electrically controlled liquid crystal elastomer–based soft tubular actuator with multimodal actuation, Science Advances, 5 (2019) eaax5746.

[6] H. Shahsavan, A. Aghakhani, H. Zeng, Y. Guo, Z.S. Davidson, A. Priimagi, M. Sitti, Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels, Proc Natl Acad Sci U S A, 117 (2020) 5125-5133.

[7] S. Mintchev, M. Salerno, A. Cherpillod, S. Scaduto, J. Paik, A portable three-degrees-of-freedom force feedback origami robot for human–robot interactions, Nature Machine Intelligence, 1 (2019) 584-593.

[8] Y. Zhao, S. Gao, X. Zhang, W. Huo, H. Xu, C. Chen, J. Li, K. Xu, X. Huang, Fully Flexible Electromagnetic Vibration Sensors with Annular Field Confinement Origami Magnetic Membranes, Advanced Functional Materials, (2020) 2001553.

[9] a.C.L. Barbara Mazzolai, A vision for future bioinspired and biohybrid robots, science Robotics, 5 (2020).

本文由Enzo供稿。

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