水凝胶柔性驱动器（加州大学Science子刊导电光热响应水凝胶的体感执行器）

水凝胶柔性驱动器（加州大学Science子刊导电光热响应水凝胶的体感执行器）图5闭环控制设置和性能（A）水凝胶臂长度缩短控制的示意图。（B）闭环控制系统的框图。目标个人计算机上运行着一个增益预定的Bang-bang控制器，进行电阻测量并通过通用异步收发器（UART）向Arduino发送控制命令，然后生成脉宽调制（PWM）信号进行驱动 激光强度。（C）闭环调节期间相对电阻随时间的变化。（D）闭环调节期间相应的水凝胶臂应变与时间的关系，以三个步骤逐步达到目标臂长（原始长度L0 = 25.0 mm，目标长度分别为第1步L1 = 24.35 mm，第2步L2 = 23.75毫米，而第3步L3 = 23.31毫米）。（C）和（D）中的插图显示了600到750 s之间的放大曲线，以及它们在〜20 s周期内的振荡。图4. ITUC凝胶的本体感受感测。（A）在近红外光下的本体感受缩短和伸长。（B）电阻和长度随时间变化。（C）在近红外灯下的本体感受弯曲和弯曲。（D）随时间变化的阻力

【科研摘要】

模仿生物神经肌肉系统的感觉运动需要在单一的人造肌肉材料中统一感应和驱动，这不仅必须驱动而且还必须感应其自身的运动。这些功能对于寻求实现接近自然生物的多功能性和局部感测能力的软机器人具有巨大的价值。最近，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的贺曦敏课题组报告了一种使用导电且具有光热响应性的水凝胶的柔性躯体敏感的致动材料，该材料将压阻应变/压力感测和光/热致动的功能结合到了一种材料中。

通过非常规的以冰为模板的紫外线-低温聚合技术合成，均匀的坚韧导电水凝胶显示出致密的导电网络和高度多孔的微观结构，实现了超高电导率（每厘米36.8毫秒，增强103倍）的独特组合与传统水凝胶相比，具有高拉伸性（170％），大体积收缩（49％）和快30倍的响应速度。由于整体材料具有独特的成分均匀性，该水凝胶克服了传统的物理集成感官致动器系统的局限性和预定义的功能。二合一功能性水凝胶不仅表现出感知环境的外在感受性，还表现出在运动中以近乎无限的自由度实时感知运动变形的本体感觉。作者展示了各种光驱运动，包括收缩，弯曲，形状识别，物体抓握和运输，同时具有自我监控功能。当连接到控制电路时，类似肌肉的材料实现了闭环反馈控制的可逆步进运动。这种材料设计也可以应用于液晶弹性体。相关论文以题为Somatosensory actuator based on stretchable conductive photothermally responsive hydrogel发表在《Science Robotics》上。

【主图导读】

图1基于CP水凝胶的体敏致动器的设计。（A）受生物启发的自感应致动器的示意图：当暴露于热刺激的体积变化或外部应力时，CP网络的密度变化或链伸长导致电阻变化。（B）使用冰模板，UV聚合和低温聚合工艺来制备ITUC凝胶。（C）ITUC凝胶的SEM图像。（D）在弯曲，扭曲和拉伸过程中ITUC凝胶的图像。（E）具有不同交联密度的ITUC凝胶和UT凝胶（对照样品，无冰冻模板）的应变-应力曲线。（F）ITUC凝胶和UT凝胶的电导率。

图2在热或光刺激下的致动性能。（A）在水中热刺激的体积收缩（在40°C时）和恢复（在室温下）。（B）在空气中近红外照明下提起ITUC凝胶的负荷。（C）ITUC凝胶的光致行为，当它暴露于近红外光时会自动跟踪光，并且基于捕获弯折角和动力学的多物理场模型，相应的计算机模拟结果。（D）水凝胶跟踪到不同的倾斜角度的角度演变。（E）在45°C的热水中使用带有PVA钝化层的ITUC凝胶抓取物体的顺序快照。

图3水凝胶的外在感受。（A）感受性感知示意图。（B）随着时间的推移，ITUC凝胶和UT凝胶的电阻。插图显示了ITUC凝胶的放大电阻变化。（C）ITUC凝胶和UT凝胶在-50至50 mV之间的电流-电压扫描。（D）在拉伸过程中ITOC凝胶的电阻变化和规格系数。（E和F）ITOC凝胶在弯曲和压缩下的电阻变化。

图4. ITUC凝胶的本体感受感测。（A）在近红外光下的本体感受缩短和伸长。（B）电阻和长度随时间变化。（C）在近红外灯下的本体感受弯曲和弯曲。（D）随时间变化的阻力和弯曲角度。（E）通过包裹物体并监测阻力来识别人造章鱼的形状。（F）当包裹不同尺寸的物体时，凝胶的电阻变化。（G）物体阻力变化和曲率的相关性。

图5闭环控制设置和性能（A）水凝胶臂长度缩短控制的示意图。（B）闭环控制系统的框图。目标个人计算机上运行着一个增益预定的Bang-bang控制器，进行电阻测量并通过通用异步收发器（UART）向Arduino发送控制命令，然后生成脉宽调制（PWM）信号进行驱动 激光强度。（C）闭环调节期间相对电阻随时间的变化。（D）闭环调节期间相应的水凝胶臂应变与时间的关系，以三个步骤逐步达到目标臂长（原始长度L0 = 25.0 mm，目标长度分别为第1步L1 = 24.35 mm，第2步L2 = 23.75毫米，而第3步L3 = 23.31毫米）。（C）和（D）中的插图显示了600到750 s之间的放大曲线，以及它们在〜20 s周期内的振荡。

参考文献：

Science Robotics 07 Apr 2021:

Vol. 6 Issue 53 eabd5483

DOI: 10.1126/scirobotics.abd5483

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