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  由柔性材料制成微型軟體機器人具有可變形、適應性強等特點，可以實現對物體的無損傷抓取，在微環境修復、生物活檢和藥物控制釋放等領域有廣闊應用前景。微型軟體機器人需要邏輯運算分析周圍的信息以實現更加智能的控制，但將傳統電子芯片和電源等器件集成到微型軟體機器人系統上是一個巨大挑戰。

  針對以上問題，西北工業大學張軒博士、孔杰教授提出了一種全新的環境刺激響應性邏輯門途徑，將邏輯運算能力整合到微型軟體機器人中，而無需外加電源輸入和纜線控制，便可實現微型軟體抓手機器人的環境刺激響應性智能控制。

圖1 刺激響應性水凝膠構筑的邏輯運算微型軟體抓手機器人示意圖

  刺激響應性水凝膠構筑的邏輯運算微型軟體機器人抓手設計原理是通過對抓手結構進行立體像素化設計，將微型抓手的形變與邏輯門相結合，隨著抓手結構復雜度的提高，微抓手邏輯運算的復雜性也隨之提高。通過刺激響應水凝膠作為構建塊，構建了分別執行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯門的微型抓取機器人。雖然水凝膠會對不同種類的刺激信號產生反應，但它們的輸出結果相似，水凝膠大小的變化導致了抓手臂的彎曲。因此，邏輯門可以很容易地集成在一個微型抓手內(例如連接一個“與”門到另一個“與”門)。此外，雙響應水凝膠制作的微型抓手可以在不同的環境刺激下智能自主地切換“與”門到“或”門。同時研制了一種具有“與”門的磁性微抓手，它可以通過環境響應邏輯門分析不同的刺激，捕獲和釋放目標物體。使用刺激響應性水凝膠作為構建模塊來制造邏輯微抓手的策略具有靈活性，根據具體應用的需要，刺激響應性水凝膠的種類可擴展為可以對電場、光、壓力、氣體和生物分子等外部刺激做出響應的多種水凝膠。

研究亮點Ⅰ：使用刺激響應性水凝膠作為構筑模塊，構建了系列能進行邏輯運算的微型抓取機器人

圖2 具有YES/NOT邏輯門的微型抓取機器人設計

圖3 兩種輸入信號邏輯運算的微型抓取機器人的設計

研究亮點Ⅱ：在一個微型抓取機器人上實現了多邏輯門的集成，為需要復雜計算的高級系統提供了新路徑

圖4 集成兩個“與”門的微型抓取機器人的設計

研究亮點Ⅲ：在微型抓取機器人系統中引入雙響應水凝膠，實現了不同環境刺激下內部邏輯門的智能自主切換

圖5根據環境刺激在“或”門和“與”間切換的微型抓取機器人的設計

  綜上可見，該研究提供了一種在微型軟體機器人中集成邏輯運算的方案，通過刺激響應性水凝膠作為構建塊，構建了一系列具有邏輯運算能力的微型抓取機器人。根據具體應用的需要，刺激響應性水凝膠的種類可以擴展為可以對電場、光、壓力、氣體和生物分子等外部刺激做出響應的多種水凝膠，從而實現該方案多種特定環境的應用。通過體素化設計和體素化制造，可以提高微型抓手邏輯運算的復雜性，實現復雜系統的控制。該策略為微型獨立式材料、致動器、軟機器人的感知、控制和計算一體化設計開辟了新的道路。相關成果以“Small-scale Soft Grippers with Environmentally Responsive Logic Gates”最新發表于英國皇家化學會材料領域旗艦期刊Materials Horizons上，并被選為當期的Back Cover。論文第一作者和共同通訊作者為西北工業大學張軒副教授，通訊作者為西北工業大學孔杰教授。

  上述研究工作得到了國家自然科學基金項目，陜西省自然科學基礎研究計劃，中國博士后科學基金面上資助，中央高校基本科研業務費等項目支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH00097K

  下載：Small-scale Soft Grippers with Environmentally Responsive Logic Gates