全球首个能“生长”出新身体的软体机器人！只需光和液体，受植物和真菌启发

一根“管子”插着子弹头，在迷宫里不断伸长，寻找出路：

重点在于，这根“管子”是自己“生长”出来的，就像植物一样不断延长。

这是全球第一个能自己生长出新身体的机器人！没有刚性链条一节一节向上推，也没有一堆吹气塑料管。它只需要光和一种液体，就能像韭菜一样从尖端“长”出新身体来，一分钟能长12cm！

这项研究来自明尼苏达大学双城分校的科研团队，他们开发了这种前所未有的、使合成材料能够生长的新工艺。这种新方法将允许研究人员建造更强大的软机器人，可以在难以到达的地方、复杂的地形和人体内部潜在的区域导航，而无需任何冗余的刚性部件。

▍受植物与真菌启发，利用「光聚合」模拟细胞壁合成

“我们受到了植物和真菌生长方式的启发，”该论文的第一作者、博士生马修·豪斯拉登 (Matthew Hausladen) 表示“植物和真菌在它们的身体末端生长，无论是在根尖还是在它们的新芽处，这项工作可将其转化为工程系统。”

那植物生长的过程是怎样的呢？

科研团队在经过充分研究的真菌菌丝、根尖和花粉管的案例中，发现植物尖端生长时，使用水来运输转化为坚实根的构建块，该机制有三个原理：

1. 增长的主要驱动力是流体压力；

2. 通过局部细胞壁合成发生结构生长；

3. 流体介导的成分物质运输，其中细胞壁成分通过基于流动和主动方式运输到尖端。

通过结合这三个原则，生物体能够产生很大的力并在尖端伸长，而与周围环境的摩擦最小。

受此启发，研究人员能够使用一种称为「光聚合」的技术模拟这一过程，利用光将液体单体转化为固体材料，大致过程如下：将流动的单体溶液限制在固定透明通道中，通过LED光照可以选择性地将流体光聚合成固体，类似于植物的局部细胞壁合成；固化的聚合物可以完全填充通道，再进一步通过流体压力被进入的单体溶液排出。

想让固化后的材料顺利的“长”出来也没那么简单，需要对付一个敌人——摩擦力，由通道-聚合物相互作用产生的摩擦力和粘附力会让合成材料没那么容易从通道排出。

一开始，研究人员想要在玻璃通道内涂上一种脱模剂，但是脱模剂层总会耗尽，仅通过这种表面改性是不可能成功挤出的。

随后，团队又想出一个办法，在单体溶液中加入PDMS-PEO润滑剂，这是一种嵌段共聚物，含有约 65% 的聚（环氧乙烷）含量，它具有在通道壁上的选择性吸附能力，在材料的“生长”过程中可以自发形成润滑层，并在挤出过程中不断补充。研发人员将开发的制造方法称为「自润滑界面光聚合（E-SLIP）」挤出。

▍一分钟长12cm的软体机器人

为了展示E-SLIP的实用性，研究人员创建了一个尖端生长的软体机器人，由可编程注射泵、连接管和带有用于光聚合的光源的透明通道组成。

通过注射泵上的状态监视器设置和记录流速，并通过位于机器人底座三通管接头处的电子压力传感器监测压力数据。这些传感器连接到一个定制的数据采集电路，带有一个微控制器 (Teensy 4.0)，用于控制和记录相机、UV LED 和传感器。

机器人的延伸是用一小段聚合物管（~5 cm）开始的，将单体溶液输送到机器人头部的起始通道，流体压力推动机器人头部向前，使机器人身体能够连续“生长”。

这种不断“生长”的能里使其能够执行一系列任务，包括探索、挖掘和穿越曲折的路径，这突出了合成增长作为一个平台的潜力，用于各种环境下的基础设施、勘探和传感的按需制造。

软体机器人具有生长速度高达12厘米/分钟和长度高达1.5米的能力，其最终长度受容器中单体数量的限制。

▍首次证明软体机器人可“生长”

该论文发表在美国国家科学院院刊 (PNAS) 上，文章标题为“Synthetic growth by self-lubricated photopolymerization and extrusion inspired by plants and fungi”(受植物和真菌启发的自润滑光聚合和挤压的合成生长)。

“这是第一次从根本上证明这些概念”，该论文的主要作者、明尼苏达大学双城分校化学工程和材料科学系创新主席 Chris Ellison 说。“软生长机器人可以创造新材料并在移动时‘生长’。这些机器可用于在人类无法前往的偏远地区进行操作，例如检查或安装地下管道或在人体内导航以进行生物医学应用。”

这种新工艺在制造中也具有便捷、低成本的优势，由于研究人员的技术仅使用液体和光，因此无需使用热、压力和昂贵的机械来制造和塑造材料的操作。

“这个项目的一个非常重要的部分是我们有材料科学家、化学工程师和机器人工程师都参与其中，” Ellison说：“通过将我们所有不同的专业知识结合在一起，确实为这个项目带来了一些独特的东西，我相信没有一个人可以单独做到这一点。这是一个很好的例子，说明合作如何使科学家能够解决真正困难的基本问题，同时产生技术影响。”

论文传送门：

https://doi.org/10.1073/pnas.2201776119

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