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自然界中存在大量超快運動的港中例子，例如昆蟲的文聯跳躍、真菌的內基孢子彈射、植物的梅隆爆炸性種子噴射等，對于生物體捕獵和躲避天敵，大學以及種群的最新繁衍具有重要意義。這些運動行為的料牛實現依賴于功率放大策略，受這些自然推進機制的港中啟發，科學家們一直試圖制造具有爆發性運動或者大力輸出的文聯微型機器人，以用于機器人的內基微型操作，快速運動，梅隆醫學應用等等。大學然而，最新目前的料牛功率放大策略通常局限于閂鎖式彈簧驅動機制和屈曲不穩定性機制，盡管在機器人中依靠這些機制實現了跳躍或彈射行為，港中但其性能遠低于自然生物的快速跳躍、發射或彈射運動，主要挑戰在于基于以上功率放大機制的機器人系統，存在預存能量低，能量釋放時間短，集成工藝復雜等問題。針對這些挑戰，研究者從噴瓜（爆炸黃瓜）利用彈性斷裂實現功率放大的種子傳播現象中汲取靈感，開發了一種工程化的斷裂驅動的功率放大（ASEF）策略，實現了具有超越現存常規微型工程機器系統性能（功率密度輸出和加速度）的光驅動水凝膠彈射器。該研究成果以“Fracture-driven power amplification in a hydrogel launcher” 為題發表在《Nature Materials》。文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01955-4。
圖?1. 破裂誘導功率放大（ASEF）概念以及水凝膠彈射器的運動性能
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自然界中很多植物利用爆炸性開裂將種子噴射到很遠的地方，例如，噴瓜（爆炸黃瓜）在生長過程中，果肉轉變成粘液狀的液體，內部滲透壓增加，在這個過程中果壁被顯著拉伸，應變能不斷積累直到達到臨界壓力，然后果實頂部破裂將種子噴射到很遠的地方。本文中，作者們受噴瓜的種子傳播方式的啟發，開發了一種破裂誘導積累的應變能瞬間釋放進而實現功率放大的策略(ASEF)。在本研究中，作者利用一種光驅動水凝膠彈射器展示這種功率放大策略。彈射器由石墨烯嵌入高韌高彈的水凝膠基體中制備而成，當受到近紅外光照射時，石墨烯由于良好的光熱轉換能力會在水凝膠網絡中快速產生大量的熱，使水凝膠中的水在彈射器的內部快速汽化。這種汽化引起的體積膨脹會導致水凝膠發生變形并存儲可觀的應變能，當達到能量儲存極限的時候，彈射器的底面破裂，在0.3 ms內快速釋放累積的應變能并轉化成動能。ASEF策略使彈射器具有令人驚訝的運動性能，對于一個直徑7 mm，厚度3 mm的水凝膠彈射器，可以實現超過193厘米（643 體長）的垂直發射運動，其理論計算起跳速度約為7.5 m/s。作者通過高速攝像觀察，其起飛時間為0.3 ms，加速度可計算約為25000 m/s2?(>2500 g)。這種ASEF機制賦予了水凝膠彈射器卓越的起飛加速度和功率密度，超過了現存常規的工程跳躍/彈射系統和自然界中具有跳躍/彈射行為的動物，以及在起飛速度方面也超過了大部分的依靠爆破進行種子傳播的植物。此外，作者們還實現了利用太陽光進行驅動以及在各種自然環境（例如沙地，植物的葉子等）表面實現這種超快運動，論證了其應用潛力。
圖2.?水凝膠微型機器人的結構設計和運動控制
除了垂直發射外，基于ASEF驅動的水凝膠彈射器可以被開發為能夠按照預定軌跡運動的水凝膠基軟機器人。作者將水凝膠彈射器作為驅動模塊嵌入透明的水凝膠基質中構建非對稱結構，通過近紅外光刺激位于水凝膠彈射器的不同位置的驅動模塊，軟機器人可以向不同的方向進行跳躍，同方向的跳躍運動展現出類似的跳躍軌跡，證明了每次跳躍的驅動力輸出是類似的。基于此，作者們通過改變嵌入的驅動模塊的偏心比，實現了可預測軌跡的水凝膠機器人的跳躍運動。通過對比計算模擬的軌跡和真實跳躍的運動軌跡，證明了預測的準確性。此外，作者還通過改變水凝膠的結構組成和幾何形狀來控制ASEF推進的位置和方向，即通過施加約束層控制水蒸汽的噴射方向（向下噴射或向上噴射），實現了水凝膠彈射器的兩種不同的工作模式，即自發射模式和彈射模式。通過使用這兩種驅動模式分別實現了微型火箭（自發射模式）的自升空和彈射輔助高速發射微型火箭（彈射模式）。
圖3.?噴瓜啟發的種子傳播和智能播種機器人。
為了展示這種基于ASEF水凝膠彈射器的潛在的機器人領域的應用，作者構建了一個工程版的噴瓜來模擬種子傳播過程。水凝膠發射器被組裝在3D打印的噴瓜中。在水凝膠發射器的頂部放入黑色玻璃珠來模擬種子。通過光刺激可以實現高速的種子噴射，其最大噴射距離為5.3米，對應的起飛速度為5.95米/秒。這種仿生高速種子噴射運動表明，水凝膠彈射器產生的力和加速度可以與自然界存在的功率放大機制相媲美。此外，彈射器被用來制備水凝膠智能播種機器人，用于農業的自動播種。機器人由水凝膠彈射器、放置在水凝膠體內的植物種子和集成的射頻識別模塊（RFID）組成。水凝膠機器人由近紅外激光驅動，使其跳入智能傳感種植床。智能床包含RFID閱讀器、栽培土床、自動土壤添加器、自動供水器和加濕器。當水凝膠機器人降落在土床上時，底部的RFID閱讀器會從RFID中讀取種子的栽培信息，然后傳輸到控制中心以執行相應的操作，例如定時供水和土壤覆蓋。供水后，水凝膠機器人可以吸收水分并膨脹以釋放種子，然后將其種植在土壤中。最后，種植的種子成功發芽，表明軟機器人在智能農業領域的廣闊應用前景。
總結來說，作者提出了一種光驅動的破裂誘導功率放大的方法，利用水凝膠網絡的高韌性與嵌入石墨烯的光熱響應引起的水相變之間的協同作用，實現了具有ASEF推進能力的水凝膠彈射器，其具有可控的彈射和自發射運動模式，特點是具有極高的起飛加速度（2.5×104?m/s2，?> 2500 g）、發射高度（643 BL，>1.93 m）和超短的能量釋放時間（0.3 ms）。本文的功率放大策略為快速推進運動提供了基礎，有助于大幅度提高微型機器人系統的運動能力。
香港中文大學機械與自動化系博士生王鑫與浙江大學機械工程學院潘程楓教授為論文共同第一作者，浙江大學機械工程學院潘程楓教授、卡內基梅隆大學Carmel Majidi教授和香港中文大學機械與自動化系張立教授為論文共同通訊作者。
這項工作是張立教授團隊在基于磁驅動微型機器人領域的研究基礎上，對于仿生和光驅動微型機器人領域的初次探索。張立教授領導的團隊對于微型機器人的開發及應用具有豐富的經驗，取得了豐碩的研究成果，部分研究成果列舉如下：
在激光散斑對比成像下跟蹤和導航微機器人集群以實現靶向遞送，文章地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh1978
tPA修飾的微機器人集群可快速清除血栓，用于中風治療，文章地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk8970；
磁性水凝膠集群可實現快速自愈合，用于按需栓塞治療動脈瘤，文章地址：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adf9278；
模塊化磁性微機器人可實現可控拆分與組裝，用于在膽管中靶向細胞治療，文章地址：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adj0883；
基于深度學習算法，磁性微集群可在復雜環境中實現實時分布規劃與自主導航，文章地址：
https://doi.org/10.1038/s42256-022-00482-8；
無線供電可變形電子支架可用于下食管括約肌無創電刺激，文章地址：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.ade8622；
磁性螺旋微機器人在內窺鏡輔助下可實現快速精準遞送，用于根除鼓膜造口管中的菌膜，文章地址：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.abq8573；
具有可編程磁化和集成多功能模塊的微型軟體機器人可用于在胃腸道中靶向藥物遞送，文章地址：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.abn8932；
干細胞微球機器人在內窺鏡輔助下可實現快速長距離遞送，用于遠端狹窄腔體內靶向細胞治療，文章地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abd2813；
磁性微集群在超聲多普勒引導下可實現在血液循環系統中實時導航，用于血管內主動靶向遞送，文章地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe5914。
出版多本微機器人集群中英文專著：
- 微納機器人：從個體到集群 / 張立，俞江帆，楊立冬著. – 北京：科學出版社，2020.
- Li Zhang, Shihao Yang, Qianqian Wang, Dongdong Jin, Magnetic Micro and Nanorobot Swarms: From Fundamentals to Applications, Singapore, Springer Singapore, ISBN: 978-981-99-3035-7, 2023.
- Qianqian Wang, Jiangfan Yu, Collective Behavior of Magnetic Micro/Nanorobots: Control, Imaging, and Applications, Boca Raton, CRC Press, ISBN: 9781032665788, 2024.
潘程楓，博導，入選國家“海外高層次青年人才計劃”，浙江大學“百人計劃”研究員，浙江大學醫學院附屬第二醫院急診醫學科兼聘教授。主要研究領域為軟物質材料-結構-功能一體化設計與制造，軟體機器人及生物醫學應用，共發表學術論文40余篇，包括以第一/通訊(含共同)作者身份在Nature Materials, Nature Electronics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials (2), Matter上發表的論文。研究成果被Nature Reviews Bioengineering, BBC, CNN,華盛頓郵報、科技日報、學習強國、央視等媒體廣泛報道。歡迎訪問課題組主頁：https://person.zju.edu.cn/PANChengfeng
張立，教授、博導，2012年加入香港中文大學機械與自動化工程學系任教，現任SIAT-CUHK機器人與智能系統聯合實驗室港方主任，兼任香港中文大學醫學院外科系禮任教授。張教授是國際電氣與電子工程師學會(IEEE Fellow)、英國皇家化學學會(FRSC)、亞太人工智能學會(FAAIA)和香港工程師學會（HKIE Fellow）會士、香港青年科學院成員(Member of YASHK)、香港中文大學工程學院杰出學人。張立教授的主要研究領域包括小尺度機器人學及其生物醫學應用。他在Nature Reviews Bioengineering、Science Robotics（3）、Nature Machine Intelligence（3）、Nature Materials、Science Advances（10）、Nature Communications（6）等國際著名刊物上發表SCI學術論文、綜述以及受邀撰寫專業評述共300余篇 (H指數79)，并于2023年出版兩本英文專著Untethered Miniature Soft Robots: Materials, Fabrications, and Applications (Wiley)和Magnetic Micro and Nanorobot Swarms: From Fundamentals to Applications (Springer)。他關于人造細菌鞭毛的研究工作于2012年被吉尼斯世界紀錄收錄為「最先進的醫療微型機器人」，關于史萊姆機器人的研究入選「2022年度香港十大創科新聞」并被CNN Mission Ahead節目組采訪報道，關于水凝膠集群治療動脈瘤的研究再次入選「2023年度香港十大創科新聞」。他目前擔任IEEE TRO (機器人學頂刊之一)和IEEE T-ASE的編輯（Senior Editor）。歡迎訪問課題組主頁：http://microbot.mae.cuhk.edu.hk/
