章魚作為一種軟體動物，圓鼓鼓的身體一般很小，有著八條感覺靈敏的觸手，可以輕鬆伸長縮短，抓取和移動重物。它們還十分善於偽裝，受驚後幾秒鐘內變色，且變形能力絕佳，能輕鬆鑽進貝殼或不規則容器中寄居。

生物體這種能夠根據周圍環境變化實時調控行為的能力是有別於人造材料最重要的特徵之一。一般需要體感受器（機械感受器）區域性感應外界刺激，並透過反射弓或神經肌肉系統傳輸訊號，同時效應器（肌肉）提供體感反饋。機器人技術的最終目標之一是透過模仿生物體感系統中的受體和效應器來實現類似的感覺運動能力，以完成同步感知和主動運動。這就要求高靈敏、低延遲的感測器和執行器整合在同一體系中。使用更易加工和更貼合的軟材料製造軟機器人，不僅能夠監控物體的粗糙度、柔軟度和溫度，而且能夠透過演算法控制抓握物體，為感測-致動一體化提供了可能。

美國加利福尼亞大學洛杉磯分校

賀曦敏教授

帶領研究團隊開發了一種

基於導電聚合物雙網路水凝膠的柔性體感制動器，該材料能夠像章魚觸手般伸長、縮短、感知和抓握物體，透過一種閉環演算法執行反饋的多種命令

。研究成果以Somatosensory actuator based on stretchable conductive photothermally responsive hydrogel為題發表在《SCIENCE ROBOTICS》上。

【柔性體敏致動器的設計與製備】

導電水凝膠由聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAAm）和聚苯胺（PAni）互穿的雙網路聚合物組成，可將光/熱驅動和壓阻感測合二為一。

PNIPAAm賦予體系熱響應驅動的能力及機械柔韌性，而黑色導電性PAni則同時充當了光熱感測器和壓阻感測器。一方面，材料變形時會影響PAni導電網路，從而引起電阻變化。另一方面，當溫度升高到PNIPAAm的下臨界溶液溫度（LCST）以下時，PNIPAAm表現出明顯的溫度驅動的收縮，PAni網路變得更加緊密，因而水凝膠的電阻率將大大降低。

為了使兩種不相容的聚合物充分混合以形成在微米/奈米級上密集堆積的導電聚合物鏈，對聚合工藝進行了最佳化。先將混合溶液在液氮（-196°C）下快速冷凍以形成冰模板，然後在-20℃時分別誘導PNIPAAm的紫外光聚合以及PAni的冷凍聚合，如下圖B所示，所製備的凝膠稱為ITUC凝膠，並表現出獨特的優勢：

（i）整個體系中導電（感測）和刺激響應（應激）組分以分子水平均勻分佈，保證了連續的電子傳導通路和高靈敏度；（ii）零下聚合反應抑制了導電聚合物（CP）奈米聚集體的過度生長，並且冰模板法使得CP堆積緻密化，因而材料強韌可拉伸；（iii）水凝膠雙開口的微結構賦予體系高的水擴散能力，因此可以被快速啟用，迅速響應。

與液相合成的水凝膠相比，材料電導率提升了三個數量級，機械模量增強386%。

【水凝膠的光/熱制動和感應效能】

作為致動器，水凝膠可以響應刺激迅速變為任意形狀和大小，並且響應速度大大提高（比常規PNIPAAm快30倍），

體積變化率高，在1分鐘內可收縮至49.7％。

由於PAni的光熱特性，複合水凝膠還可以透過光熱機制實現光制動。在近紅外光照射下，ITUC凝膠可以有效收縮和提起其幹聚合物重量的171。6倍的物體。當NIR光以任意角度照射在水凝膠條上時，水凝膠會向入射光方向彎曲，跟蹤光照。這種方向性，不對稱的運動源於水凝膠兩側的溫度梯度，

受照側的溫度迅速升高到LCST之上，而陰影側的溫度仍保持低於LCST，因而受照側區域性收縮，複合凝膠整體彎曲。

當光熄滅時，水凝膠可以迅速恢復到原始的未變形構型。此外由於PVA層不響應溫度變化，將PVA層與ITUC凝膠層組合，雙層凝膠會向ITUC側彎曲，組合形成的“觸手”可以在溫度控制下提升重物，如下圖E，這表明複合水凝膠能容易地與其他特性的材料組合，完成複雜動作。

（A）在熱水中的體積收縮（40°C）和恢復（室溫下）。（B）ITUC凝膠在空氣中近紅外光照射提升重物。（C）ITUC凝膠的光致變形。（D）水凝膠跟蹤不同傾斜角度的紅外光。（E）帶有PVA層的ITUC凝膠在45°C的熱水中抓取物體。

ITUC水凝膠具有高導電性和可拉伸性，能夠在機械形變時充當壓阻應變感測器。在70％拉伸應變下，GF為2。3，靈敏度比PEDOT / PVA和石墨烯/ PAAm凝膠感測器要高。這得益於冰模板誘導的均勻連續的導電聚合物網路。水凝膠還可以檢測彎曲和壓縮，表現出其作為曲率感測器和觸覺（觸覺）感測器的潛力。

（A）不同感知示意圖。（B）凝膠隨時間變化的電阻。（C）ITUC凝膠和UT凝膠在-50至50 mV之間的電流-電壓掃描曲線。（D）在拉伸過程中凝膠的電阻變化。（E和F）凝膠在彎曲和壓縮下的電阻變化。

【水凝膠的體敏制動性】

文中實時監控複合水凝膠的主動制動行為，表明了人造水凝膠章魚能夠根據物體的尺寸，調整捲曲的弧度，從而“抓牢”重物，表現出像生物體一樣感測環境-主動制動的行為。

（A）近紅外光下體感縮短和伸長。（B）電阻和應變隨時間的變化。（C）近紅外光下的體感彎曲。（D）電阻和彎曲角度隨時間的變化。（E）人造章魚識別形狀的過程。（F）當包裹不同尺寸的物體時電阻的變化情況。（G）電阻變化和物體曲率的關係。

這得益於研究人員開發的一套

閉環控制系統，可用於主動控制人工手臂的伸長/縮短

，模仿了生物神經肌肉系統。該系統中神經衝動從受體向內傳遞至脊髓，然後向外傳遞至效應器，這與肌肉或腺體受激反應的過程非常相似。

控制演算法能夠實時向控制器提供與尺寸變化有關的體感反饋訊號，從而控制“觸手”的收縮/鬆弛行為。

（A）水凝膠臂長度縮短控制的示意圖。（B）閉環控制系統圖示。（C）閉環調節期間相對電阻隨時間的變化。（D）閉環調節期間相應的水凝膠臂應變與時間的關係，透過三個步驟逐步達到目標臂長（原始長度L= 25。0 mm，第1步L1= 24。35 mm，第2步L2= 23。75毫米，而第3步L3= 23。31毫米）。

【結論】

文中透過冰模板和低溫聚合法成功製備了基於PAni –PNIPAAm的雙網路複合水凝膠，有效地解決了導電聚合物水凝膠由於非均勻性和聚集導致的低電導率和不良感應等問題，將感測和驅動功能整合在一個材料上。

這種體感制動器可與不同的智慧材料結合，在保留每個元件功能的同時，協同實現感官致動所需的高機械和電氣特性。該方法可用於製造具有多感官感知和移動性的微型機器人，有助於解決目前軟機器人制備中存在的諸多挑戰。

文章來源：

Science Robotics  07 Apr 2021： Vol。 6， Issue 53， eabd5483。

DOI： 10。1126/scirobotics。abd5483

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