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  自然界中生物可以控制片狀器官產(chǎn)生多樣的三維波浪形貌，并利用波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富的功能，例如海蛞蝓利用片狀足底產(chǎn)生的肌肉波浪來(lái)實(shí)現(xiàn)在海底爬行，哺乳動(dòng)物利用消化道的蠕動(dòng)來(lái)傳輸食物。相比之下，人造柔性機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生的波動(dòng)遠(yuǎn)不及自然系統(tǒng)生物體波動(dòng)形貌和功能的多樣性。如果能夠設(shè)計(jì)和創(chuàng)造出一種新穎的柔性形變機(jī)器人系統(tǒng)，不僅能夠自適應(yīng)地在單片人造肌肉（MSAM）上編程實(shí)現(xiàn)多種三維波浪形貌，還能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維波浪的自持續(xù)運(yùn)動(dòng)。這種自持續(xù)的波動(dòng)柔性機(jī)器人系統(tǒng)將具備推進(jìn)、運(yùn)動(dòng)、傳輸功能，為自動(dòng)機(jī)器人、自持續(xù)柔性機(jī)器、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供無(wú)限可能。

  近期，西湖大學(xué)工學(xué)院呂久安團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種可以在單片柔性人造肌肉（MSAM）中實(shí)現(xiàn)三種自發(fā)行進(jìn)波的軟體機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以產(chǎn)生三種不同的光致三維波動(dòng)行為，分別為扭曲引發(fā)的扭轉(zhuǎn)波形運(yùn)動(dòng)、邊緣波動(dòng)、中心波動(dòng)（圖1）。系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)理念結(jié)合了兩個(gè)不同的生物智能實(shí)例所采用的原理，即植物葉片不同三維波浪的形貌產(chǎn)生原理，以及鰩目魚(yú)胸鰭的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理。前者提供了一種三維波浪形狀選擇機(jī)制，能夠通過(guò)差異性生長(zhǎng)使 MSAM 自發(fā)形變成不同的三維波浪形貌，而后者提供了一種驅(qū)動(dòng)原理，通過(guò)節(jié)律性運(yùn)動(dòng)模式使得所構(gòu)建的三維波能夠產(chǎn)生自持續(xù)傳播。該系統(tǒng)由兩部分組成，如圖2a所示。其一是驅(qū)動(dòng)單元，由平直的、受限的 MSAM 組成，MSAM可以局部生長(zhǎng)、變形、自適應(yīng)成型為目標(biāo)三維波型；其二是一個(gè)可程序化重構(gòu)的光學(xué)裝置，這個(gè)光學(xué)裝置可以提供結(jié)構(gòu)光圖案，所使用的光學(xué)裝置是具有灰度圖的商業(yè)投影儀或配備有光掩膜板的光源。通過(guò)切換結(jié)構(gòu)化光，三種波型可以原位自由切換（圖2h）。為了清晰理解三維波浪產(chǎn)生和傳播的機(jī)制，團(tuán)隊(duì)結(jié)合植物波浪形態(tài)發(fā)生和鰩魚(yú)波動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)制對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，強(qiáng)調(diào)了靜態(tài)光輸入誘導(dǎo)材料固有的光機(jī)械耦合相互作用的對(duì)波浪形貌和自動(dòng)波動(dòng)的重要性（圖3）。該系統(tǒng)采用的光致三維波浪形態(tài)產(chǎn)生機(jī)制和自發(fā)波動(dòng)機(jī)制可廣泛地適用于刺激響應(yīng)材料的三維形態(tài)產(chǎn)生和功能開(kāi)發(fā)，能夠?yàn)榭删幊痰娜彳浀臋C(jī)器人、柔性發(fā)動(dòng)機(jī)/馬達(dá)/泵、自動(dòng)能量鋪獲和轉(zhuǎn)換、微機(jī)械系統(tǒng)等前沿高新技術(shù)領(lǐng)域提供新設(shè)計(jì)和新思路。該工作以“Photomorphogenesis of Diverse Autonomous Traveling Waves in a Monolithic Soft Artificial Muscle”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上， 西湖大學(xué)博士研究生趙桐輝為第一作者，呂久安研究員為通訊作者，該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助支持。

圖 1 仿生原理。（a）植物葉片的三種不同 的三維波浪形狀：扭曲形狀、邊緣波形狀、中心凹凸起伏形狀。（b）鰩魚(yú)的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。（c） 結(jié)合上述植物葉葉片形貌產(chǎn)生和鰩魚(yú)波動(dòng)的兩個(gè)原理，設(shè)計(jì)了一種利用結(jié)構(gòu)化靜態(tài)光在單片柔性人造肌肉中產(chǎn)生三種三維波形并同時(shí)實(shí)現(xiàn)自發(fā)波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)器人系統(tǒng)。