盖世汽车讯 据外媒报道中，弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）的物理学家揭示了一种微观现象，可以极大地提高软设备的性能，例如灵活的柔性机器人或用于药物输送的微型胶囊。

（图片来源：弗吉尼亚理工大学）

这篇论文由弗吉尼亚理工大学的博士生Chinmay Katke和助理教授C. Nadir Kaplan，以及荷兰拉德堡德大学（Radboud University）合著者Peter A. Korevaar撰写，并提出可以加速水凝胶膨胀和收缩的新物理机制。这有利于使用水凝胶来取代用于制造柔性机器人的橡胶材料，使这些人造材料能够以接近人手的速度和灵巧度移动。

软体机器人已经在制造业中得到应用，其中一种类似手的装置经过编程，可以从传送带上抓取物品（比如热狗或一块肥皂），并将其放入容器中进行包装。然而，目前使用的机器人依靠液压或气动来改变“手”的形状，以便拿起物品。

与人类的身体相似，水凝胶中主要含有水，且在生活中无处不在，例如食物凝胶和剃须胶。这项研究似乎找到了一种方法，可以让水凝胶更快地膨胀和收缩，从而提高它们在不同环境中发挥作用的灵活性和能力。

生物体利用渗透作用进行活动，如在肠道中吸收水分等。通常情况下，人们认为渗透作用是水流穿过膜，而像聚合物这样的大分子无法通过。这种膜被称为半透膜，被视为必要的渗透条件。此前，Korevaar和Kaplan使用一层由聚丙烯酸构成的水凝胶薄膜进行了实验。他们观察到，尽管水凝胶膜允许水和离子通过，并且不具有选择性，但当离子在水凝胶中释放时，水凝胶会由于渗透作用而迅速膨胀，并再次收缩。

Katke、Korevaar和Kaplan开发出新的理论以解释上述现象。该理论显示，当水凝胶内部释放的离子不均匀地扩散出去时，离子和聚丙烯酸之间的微观相互作用会使水凝胶膨胀。这种现象被称为“水凝胶的扩散性电泳膨胀（diffusio-phoretic swelling of the hydrogels）”。此外，这种新发现机制使水凝胶的膨胀速度比以前要快得多。

为什么这种改变很重要？

目前，柔软灵活的机器人是用橡胶制成的。橡胶“可以完成这项工作，但它们的形状是通过液压或气动来改变的。这是不理想的，因为很难在这些机器人中压印（imprint）管道网络，以向其中输送空气或液体。”Kaplan表示：“想象一下，由于神经网络和皮肤下离子运动，人们可以用自己的手做多少不同的事情，以及可以做得多快。因为橡胶和液压系统不像人类的生物组织（水凝胶）那样具有多种功能，最先进的软体机器人只能做有限的动作。”

该研究过程支持水凝胶改变形状，然后在比以往更大的软机器人中，以“明显更快的速度”变回原来的形状。Katke表示，目前，只有极小的水凝胶机器人才能对化学信号做出足够快的反应，从而发挥作用。而更大的水凝胶机器人需要数小时才能改变形状。借助新的扩散电泳方法，一厘米大小的软体机器人可能在几秒钟内就能变形，当然这需要进一步的研究。

更大的、灵活的软体机器人可以快速响应，有助于改善医疗保健中的辅助设备，制造业中的“拾取和放置”功能、搜索和救援行动，以及护肤化妆品和隐形眼镜。