光热-流体耦合驱动的非光机械响应坚韧水凝胶实现水下多模态自主导航

针对传统软体机器人依赖光机械响应材料导致机械性能与驱动能力难以兼顾的问题，研究人员开发了一种基于纠缠网络结构的r-GO-PAM（还原氧化石墨烯-聚丙烯酰胺）坚韧水凝胶机器人TG-BOT。该机器人通过光热-流体耦合效应实现1.27 cm/s的高速三维运动，突破性地利用环境流体驱动而非材料自身形变，为极端环境下的自主导航提供了新材料范式。

　　

在水下机器人领域，传统软体系统面临两大困境：一是依赖光机械响应材料（如液晶弹性体、PNIPAAM水凝胶）导致机械性能与驱动能力此消彼长；二是现有驱动方式（如人工肌肉拍打）在压缩/拉伸载荷下易发生不可逆损伤。这些问题严重限制了材料选择范围和环境适应性。针对这些挑战，中国的研究团队创新性地提出"非光机械响应"设计理念，开发出基于高度纠缠网络的TG-BOT水凝胶机器人，相关成果发表于《SCIENCE ADVANCES》。

研究团队采用紫外自由基聚合法制备r-GO-PAM水凝胶，通过调控交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(bis)浓度构建纠缠网络结构，结合计算流体动力学(CFD)模拟分析光热-流体耦合效应。关键实验技术包括：动态热机械分析仪测试力学性能、COMSOL多物理场耦合模拟、高精度热成像监测温度梯度等。

Characterization and design concept of TG-BOT
通过控制聚合物链纠缠度与交联比例，使水凝胶拉伸应变达2162%（常规材料仅102%），模量提升11.73倍至19.12 kPa。9000次循环加载-卸载实验显示滞后损耗可忽略，压缩应变85%时应力达9.62 MPa，远超传统PNIPAAM水凝胶。

Coupled optical-thermal-fluidic drive mode
在4 mW/mm²光照下，TG-BOT通过洛伦兹-米散射理论描述的光热转换建立温度梯度，诱导流体产生层流对流（雷诺数Re=uD/ν）。32秒内完成垂直上升（速度1.27 cm/s），CFD模拟显示对称涡流是其驱动力来源。

Versatile locomotion of TG-BOT
该机器人可实现水平跳跃（130秒移动16.78 cm）、30°斜坡障碍跨越、S型管道穿越等复合运动。水面阶段通过马兰戈尼效应(Marangoni convection)实现光规避行为，形成完整的"上升-表面滑行-下沉"运动循环。

Adaptability of TG-BOT
在1.5 cm窄缝穿越实验中，材料经受85%压缩形变后完全回弹。对比实验显示常规PAM水凝胶被压碎，而纠缠网络结构的TG-BOT保持结构完整性，冲击耐受性显著提升。

这项研究颠覆了软体机器人必须依赖材料自身形变的传统认知，通过光热-流体耦合机制实现非机械响应驱动。其意义在于：①拓宽材料选择范围，允许强化机械性能而不牺牲驱动能力；②为极端环境（如血管级狭小空间）应用提供新思路；③多模态运动能力（垂直迁移、障碍跨越等）填补了现有水下机器人技术空白。纠缠网络设计策略更可推广至其他智能材料领域，为下一代自主软体系统开发奠定基础。