《AM》由化学反应网络驱动的水凝胶自主软机器人

水凝胶致动器对于设计对刺激敏感的软体机器人非常重要。它们通过响应刺激而利用分隔（去）膨胀来产生机械运动。然而，经典的切换方法，例如手动降低或增加 pH 值，无法提供更复杂的自主运动。近日，美因兹大学Andreas Walther和罗马第一大学Stefano Di Stefano通过将具有可编程寿命的自主操作 pH 翻转耦合到包含 pH 响应和非响应隔间的水凝胶系统，自主向前和向后运动以及更复杂的任务，例如“拼图”的互锁和对象的收集是 实现了。所有操作都由一个简单的触发器启动，并且设备以“即发即忘”模式运行。通过添加化学-机械-化学反馈机制可以获得更复杂的自我调节行为。由于其简单性，该方法在软夹具和超材料的自主操作方面显示出巨大潜力。

本文要点：

（1）它可以通过简单的注射方便地应用，并允许广泛控制pH翻转的寿命和幅度。与众所周知的时钟反应或早期的pH反馈系统相比，该系统可以使用更少的组件并以批量设置的方式运行。此外，通过改变TBA燃料或缓冲液的量，可以容易地控制pH翻转的持续时间和幅度，而不需要对多组分反应进行微调。除了将双层的弯曲角度控制为寿命的函数之外，作者还展示了自主操作可能有用的应用，接口互锁和抓取其他刺激难以施加的小孔物体。作者还介绍了如何包括化学机械反馈，以实现设备的自主自我调节。在基本层面上，这种响应元素与先进化学控制的结合对于从传统的可转换材料向更接近生命的材料系统的转变是至关重要的，这些材料系统能够自主、适应和自我调节行为。

（2）鉴于实现自主控制的简单单组分方法与pH响应软机器人设备“开箱即用”兼容，作者预计这将使材料应用的自主化学控制器“大众化”。进一步研究发现更多环境友好的自脱羧酸将有助于拓宽该方法的应用。作者进一步相信，在连续燃料、复杂燃料混合物或物理刺激的输送不切实际的系统中，例如为自主操作而设计的非电子、独立设备，它可能具有很大的意义。

总之，该研究通过将瞬态 pH 翻转形式的自主化学控制器与 pH 响应水凝胶相结合，为软体机器人执行器引入了一种自主控制的新方法。与自主系统的其他化学控制器通常需要的复杂混合物相比，特别是适用于聚合物的 CRN，由于使用单组分 pH 翻转，团队的系统操作特别简单。事实上，它可以很方便通过简单的注射应用，并允许广泛控制 pH 翻转的寿命和幅度。与众所周知的时钟反应或该团队早期的 pH 反馈系统相比，该系统可以使用更少的组件和批量设置进行操作。此外，可以通过改变数量轻松控制 pH 翻转的持续时间和幅度TBA 燃料或缓冲液，而不需要微调多组分反应。除了控制双层的弯曲角度作为寿命的函数外，团队还展示了自主操作可能有用的应用，例如，用于界面的自主互锁和用于抓取具有小孔的物体，而其他刺激难以应用。我们还介绍了如何包含化学机械反馈以实现设备的自主自我调节。在基础层面上，这种响应元件与先进化学控制的结合对于从经典的可切换材料到更逼真的材料系统的过渡至关重要，这些材料系统能够自主、自适应、和自我调节的行为。

鉴于该科研人员实现自主控制的简单单组分方法与 pH 响应软机器人设备“开箱即用”兼容，团队预计这将使材料应用的自主化学控制器“民主化”。进一步研究寻找更多对环境无害的自脱羧酸将有助于拓宽这种方法的可能应用。团队进一步相信它可能对连续燃料、复杂燃料混合物或物理刺激的输送不切实际的系统具有极大的兴趣，例如 作为非电子的独立设备，专为自主操作而设计，例如在微流体系统中。此处显示的设备能够进行“即发即弃”操作，可用于智能植入物，这在生物医学领域引起了越来越大的兴趣。包括化学机械反馈功能的设备可以 导致需要精细控制和反馈的可能应用，例如假肢。

封面来源：图虫创意