光驱动晶格软体微机器人实现多模态仿生运动——基于截角八面体超材料的突破性设计

《Nature Communications》：Light-driven lattice soft microrobot with multimodal locomotion

研究人员针对软体微机器人变形能力有限、运动效率低下的难题，通过将聚(N-异丙基丙烯酰胺)-单壁碳纳米管(PNIPAM-SWNT)水凝胶与截角八面体晶格结构结合，开发出光驱动晶格软体微机器人(LSMR)。该设计使变形幅度提升25%，响应速度提高7.15倍，并实现29.38°/s的原地旋转（较前提高30倍）和15.15μm/s的蠕动运动。通过激光扫描轨迹调制，LSMR可完成线性蠕动、转向跳跃等复杂动作，在狭窄空间（75%体宽）中自主穿行，为生物医学和微机械工程提供了新型可控微操作平台。

　　

在微观世界中，如何让机器人像生物细胞一样灵活运动一直是科学界的难题。现有软体微机器人常面临变形能力有限、运动模式单一、能量效率低下等瓶颈，严重制约其在生物医学和微纳操作中的应用。传统水凝胶材料因溶剂扩散缓慢导致响应迟滞，而刚性结构又限制了其环境适应性。面对这些挑战，华中科技大学团队在《Nature Communications》发表的研究通过仿生设计与材料创新，交出了一份令人振奋的答案。

研究团队采用飞秒激光直写技术(LDW)构建了截角八面体晶格超结构，结合光热响应型PNIPAM-SWNT水凝胶，开发出具有革命性性能的光驱动晶格软体微机器人(LSMR)。关键技术包括：1）通过三维激光扫描实现晶格结构的精确成型；2）基于计算机视觉的闭环反馈控制系统；3）多参数激光调制策略（功率50-60mW，扫描速度120-2200μm/s）；4）机械性能测试系统量化刚度（250μN/μm）。所有实验均在0.5% Tween-20溶液环境中完成，以降低表面粘附。

设计制造晶格结构

通过优化LDW工艺参数（层间距400nm，线间距300nm），成功制备出相对密度可调的截角八面体单元（杆长2-8μm，直径2.5-8μm）。

显示该结构较实体结构表面积增加50%，为快速溶剂交换创造条件。

光驱动变形特性

晶格结构在激光照射下1.46秒内实现30.58%体积收缩（实体结构需2.5秒仅收缩10.55%），L4D4型号展现出最优刚度-变形平衡（39.9%收缩率）。

证实其能量效率是实体结构的6倍。

线性蠕动运动

模仿眼虫运动机制，通过顺序激光扫描（频率4.65-14Hz）产生定向蠕动波。

显示LSMR速度达15.15μm/s（0.14体长/秒），是实体结构的3倍。

轨迹调制运动

证明圆形扫描轨迹可实现29.38°/s的快速旋转（较文献记录快30倍），并能自主穿过45μm窄缝（仅为体宽的75%）。

闭环控制与跳跃

结合视觉反馈系统，LSMR可完成五角星轨迹跟踪等复杂任务。

显示其在20.63μm/s跳跃模式下仍保持可控性。

这项研究通过晶格结构设计与光驱动策略的创新，突破了软体微机器人在变形效率、运动速度和环境适应性方面的多重限制。其重要意义体现在：1）为微创手术、靶向给药提供了新型载体；2）开创了通过结构设计提升材料性能的新思路；3）发展的闭环控制方法为微纳操作系统奠定技术基础。未来通过整合磁性组分，有望实现更大尺度的协同操控，推动微机器人技术向实际应用迈进。