研究人员开发出“魔法飞毯”化学活性薄片 有助于创造下一代软体机器人设备

从《一千零一夜》到迪士尼的《阿拉丁神灯》，故事中的“魔法飞毯”充满了想象力，不仅是因为它可以飞行，而且还可以挥动、拍打和改变其形状以服务于坐在上面的人。匹兹堡大学斯旺森工程学院(Swanson School of Engineering)的一个研究小组利用这种灵感，在溶液中的催化化学反应的帮助下，设计出了一种二维、可改变形状的薄片，可以在充满反应物的液体中自主移动。

这篇题为《设计自动推进、化学活性强的薄片：包装纸、挡板和爬行物》的文章最近发表在美国科学促进会(AAAS)杂志《科学进展》上。首席研究员是Anna C. Balazs。主要作者是Abhrajit Laskar，合著者是Oleg E. Shklyaev，两人都是博士后。

“长期以来，在化学领域，创造一个能够在环境中自行移动的非生命物体一直是一个挑战，而这反过来又会改变物体的形状，让它能够执行全新的任务，比如捕捉其他物体。” Balazs博士解释，“此前，研究人员已经在一种表面上制作了具有化学活性的薄片，这种薄片可以产生流体，但流体不会影响贴片的位置或形状。在我们自己的实验室里，我们模拟了球形和长方形的粒子，它们可以在充满液体的微室里自主运动。但现在我们有了这个集成的系统，它利用化学反应激活流体运动，同时传送一个灵活的物体并“塑造”它的形状，这一切都是自动发生的。”

该研究小组通过在柔性板上引入催化剂涂层实现了这种自行移动和重新配置的壮举，该涂层大致是人类头发的宽度。向周围流体中添加反应物引发飞毯运动和其形状的变化。“据我们所知，这是第一次将这些催化化学反应应用于2D薄片以产生流动，将这些板材转化为移动的3D物体。”Balazs博士说。

此外，通过在薄片的特定区域放置不同的催化剂并控制流体中反应物的量和类型，该组产生了有用的催化反应级联，其中一种催化剂分解相关的化学物质，然后成为下一组催化反应的反应物。加入不同的反应物，设计合适的薄片结构，可以实现各种各样的动作——在这项研究中，包裹一个物体，做一个拍打的动作，以及在表面障碍物上翻滚。

“包含这些活性薄片的微流体装置现在可以执行重要功能，例如运送货物，抓住柔软细腻的物体，甚至爬行以清洁表面。” Shklyaev博士说， “这些灵活的微型机器简单地将化学能转化为自发的重组和运动，这使它们能够完成有用的工作。”

Laskar博士补充说，如果将薄片切成四瓣花的形状并放置在微流体装置的表面上，花瓣状的化学成分可以“编程”以单独打开和关闭，从而创建执行逻辑的操作，以及产生特定的流体流以在整个装置中输送颗粒。

“例如，像捕手的手套一样，你可以利用花瓣捕捉微观球并将其保持一段时间，然后在不同的花瓣上发起新的化学反应，使球在它们之间移动。化学式的追赶游戏。” Laskar博士解释说，“这种水平的空间和时间控制允许分阶段的反应和分析，否则你无法用不可变形的材料进行分析。”

该小组还尝试将催化剂放置在薄片的不同部分上以产生特定的运动。在一个实验中，将催化剂仅放置在薄片的主体上而不是头部和尾部，引发了一种爬行运动，这种爬行与尺骨虫的蠕动极为相似。在另一个实验中，当障碍物被放置在涂层板的前面时，它将在障碍物上翻滚并继续移动，允许其穿过颠簸的地形。

“这项研究让我们进一步了解化学如何在微流体装置中驱动自主、自发的移动和运动。” Balazs博士说，“我们的下一个任务是通过使用多个薄片的相互作用和自行组织来探索微加工，将它们组合到特定的结构中，以执行复杂的、协调的功能。此外，通过试验不同的刺激，如热和光，我们可以设计移动的三维微型机器，使其形状和行动适应环境的变化。这种水平的响应行为对于创造下一代软体机器人设备至关重要。”