仿生爬杆机器人（以蛇蜕皮为灵感）

仿生爬杆机器人（以蛇蜕皮为灵感）近年来，微通道逐渐成为多个前沿领域的基础技术。比如，微型软体机器人需要微型腔道来分布应力应变实现变形；生物研究的前沿——器官芯片和微流道芯片等，更是依赖不同形状大小的微通道进行流体的操控；而在可穿戴设备和柔性通讯等领域里，微型通道也有着不可或缺的地位。微型通道一般存在形状复杂、尺度分布广等特点，对于众多生物的生存有着极其重要的意义。其具备加工流程简单、所需材料易得、无需溶剂参与等优势，具有较好的普适性。在机器人工程和生物医学工程领域，比如面向介入医疗的微型软体医疗机器人、用于人体内外健康检测的可穿戴式传感器和天线、以及各种微流道芯片和器官芯片等，有着广泛的应用前景。自然界中植物动物种类繁多、多姿多彩，但是它们有着一个非常重要的特点，即身体构造上都含有微细通道。例如，人体中大大小小的血管，是我们赖以生存必不可少的器官。植物中也类似，需要导管输运养分。

他叫王宏强，目前在南方科技大学担任副教授。其本硕均毕业于 C9 高校西安交通大学，随后到东京大学读博。接着，又在美国哈佛大学做了三年的博士后研究。2018 年秋，在外留学 7 年之后回国，目前任职于南科大机械与能源工程系。

图 | 王宏强（来源：王宏强）

机器人，是其各个成果的核心词，同时伴以“柔性”“微型”“医疗”“仿生”等关键词。此前，他曾研发出超薄柔性攀爬机器人、蜜蜂飞行机器等代表成果。

而前不久，他又研发出了一款软体藤蔓机器人。其中运用到了一项自研技术——软脱模技术。

其具备加工流程简单、所需材料易得、无需溶剂参与等优势，具有较好的普适性。在机器人工程和生物医学工程领域，比如面向介入医疗的微型软体医疗机器人、用于人体内外健康检测的可穿戴式传感器和天线、以及各种微流道芯片和器官芯片等，有着广泛的应用前景。

自然界中植物动物种类繁多、多姿多彩，但是它们有着一个非常重要的特点，即身体构造上都含有微细通道。

例如，人体中大大小小的血管，是我们赖以生存必不可少的器官。植物中也类似，需要导管输运养分。

微型通道一般存在形状复杂、尺度分布广等特点，对于众多生物的生存有着极其重要的意义。

近年来，微通道逐渐成为多个前沿领域的基础技术。比如，微型软体机器人需要微型腔道来分布应力应变实现变形；生物研究的前沿——器官芯片和微流道芯片等，更是依赖不同形状大小的微通道进行流体的操控；而在可穿戴设备和柔性通讯等领域里，微型通道也有着不可或缺的地位。

然而，在现有技术条件下，具有复杂结构的微小通道结构的制作很难。因此，近几十年来这一直是多领域众多科学家竞相攻关的重点和努力的方向。

图 | 软脱模技术的概念图（来源：Nature Communications volume）

目前，研究者们使用的主要是使用软光刻技术（soft lithography），通过液态的硅胶材料复刻模具上的微槽结构，再封上一层硅胶层来形成通道结构。

但是，软光刻的加工需要洁净间、工艺复杂，而且只适用于制备二维方形通道，很难实现不同截面的、三维复杂结构的微通道。

因此，近年来，领域内新兴了不同的微通道加工工艺，主要分成以下三类：溶解模板法、基体溶胀法、和直接 3D 打印法。

但是，这三种方法均不完美。具体来说：

• 溶解模板法比较耗时，而且只适用于特定材料，比如丙酮只能溶解丙烯腈丁二烯苯乙烯；
• 基体溶胀法需要化学试剂的参与，比如用丙酮溶胀聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane），由于会有化学试剂残留，因此不适合用于生物医疗领域例如器官芯片等；
• 直接 3D 打印法虽然可以打印复杂通道，但存在可扩展性差、打印精度不高的问题，而粗糙的表面会增大流体作用的阻力，降低软体驱动器的耐气压能力等，也不能满足现在复杂软体器件的功能需求。

因此，当下亟需一种新型微通道制备工艺，来实现光滑、复杂，高长径比的通道结构的的加工。

被世界顶级期刊看好的方向

在高分子纤维受外力下颈缩的现象启发，该团队创新性地提出了一种简单、快速、无需溶剂参与、并且可以制备复杂高长径比的微型通道的方法——软脱模技术（soft demoulding）。

区别于传统的将硬质模板埋入基体材料再抽出的方法，其将可行变的软质模板引入到了脱模过程中。

在受力情况下，软质模板的截面会变细，进而让软质模板的脱模过程变成一个、对模板形状长度不再敏感的剥离过程，借此极大降低了模板去除过程中所需的外力，适用于在多种软质基体材料，可用于制备复杂的、高长径比的微型通道，并在软体机器人、可穿戴式传感器、器官芯片等领域具备应用潜力。

近日，相关论文以《面向复杂高长径比微通道的自收缩软脱模研究》（Self-shrinking soft demoulding for complex high-aspect-ratio microchannels）为题发表在 Nature Communications 上。王宏强团队的博士研究生范东亮担任第一作者，王宏强、清华-伯克利深圳学院特别研究员秦培武担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

投稿过程中，一位审稿人表示该制备技术非常具备创新性。另一位审稿人指出，软脱模技术可以制备出相当复杂的圆形管道，而且其长径比远超过传统的制备工艺，预计这项工作会引起来自不同领域研究微流控的学者的兴趣和关注。

事实上在 2021 年 9 月，该团队曾经论文投稿到 Nature 主刊，但是不久之后该期刊发表了一篇相似的论文，对方也提出了一种制备管状软体结构的方法，并将该方法应用于软体机器人领域，而且也做了一个和本次论文很像的软体藤蔓机器人。

该团队表示：“可能主题相近，所以 Nature 编辑没有给我们送审，不过编辑肯定了我们方法的创新性，推荐投稿到《自然·通讯》，并且可以直接送审。我们当时觉得挺惋惜的，但同时也觉得庆幸，因为我们选定的研究方向也被世界顶级期刊所看好。”

以蛇蜕皮为研发灵感，为探索优化参数不断试制超过 100 多次

据介绍，从研究人员初步产生想法，到论文最终发表历时三年有余。期间，为了探索优化参数，试制次数超过 100 多次，回复审稿则历时半年左右。

关于该项目的最初想法，来源于课题组的需求、以及从自然界中获得的灵感。柔性驱动是该团队的主要研究方向，其中柔性电极和气动驱动都需要微型通道。

但是，要想把通道做小，本身非常困难、受限也非常大，如果再做成具有空间复杂度的形状和截面则更为困难，这曾让他们倍感苦恼。

后来，一则蛇蜕皮的视频带来了灵感：蛇通过收缩自身的肌肉，在粗糙的地面摩擦，来逐步从旧壳中脱离出来。并且，蜕下的蛇皮竟然还能保持原来的形状和细微的鳞片形貌特征。

而橡皮筋在外力情况下也会存在收缩截面现象，因此课题组考虑把橡皮筋埋入硅胶材料再将其拔出，借此模仿蛇蜕皮的过程。

确定初步验证方案可行之后，该团队对软脱模技术建立了相应的理论模型，建立过程中，他们将模型和软脱模以及硬脱模做出了着重性区别。

在硬脱模过程中，模板所受的是剪切力，其所受力的大小会受到长度的影响，长度越大受力越大。

而在软脱模过程中，软质模板在受力之下会出现收缩进而变细，这时就能将剪切力转换成剥离力。期间，不会受到长度的影响，可用于制备高长径比的微型通道。

而通过测试四种不同材料（尼龙线、铜丝、热熔胶纤维，聚氨酯纤维），所提出模型的正确性也得到了验证。

确认理论模型之后，针对软质模板的材料选择和制备工艺，课题组展开了进一步的研究。之前选用的是橡皮筋，其和硅胶材料（PDMS）的接触部分并不是固化的，这会影响通道的结构精度。

而且，从市面上买来的橡皮筋只有固定的直径可选，这严重限制了模板结构的设计。因此，研究人员通过文献检索和讨论，决定选用设备简单、且能制备可控直径的热拔法（thermal drawing），以此来制备软质模板结构。

其中，在模板材料选用热熔胶和热塑性聚氨酯，它们具备模量低、伸长量高等优势。通过使用控制拔出速率、加热温度、模板后处理、模具组装等方法，制备出了锥形、螺旋形、双螺旋形、树状、以及马鞍面形等软模板结构。

而基于软脱模技术，上述制备出的模板结构均可通过软脱模技术，加工出相应的微管道模型。其中，借助这一软脱模技术该团队制备出了直径最小为 10 微米和长径比最高为 6000 的微管道。

图 | 软脱模制备出的各种微管道模型（来源：Nature Communications volume）

为了证明软脱模技术的广泛应用，研究人员先将该技术用于制备微型软体机器人和可穿戴传感器。通过该技术，课题组制作了一个具有双螺旋结构的、直径 100 微米的微型通道作为气压驱动通道，充气时可以像虫子一般的蜷曲。

另外一个直径 150 微米、长径比 1600 的具有超长螺旋结构的气腔，在充气时能模仿藤蔓的卷曲行为，可用于医疗或狭小场景下的检测等。

而一个具有圆形截面的细长通道，通过注入导电液体能形成可穿戴式传感器，以用于人体运动检测。

（来源：Nature Communications volume）

此外，还有一个具有变直径的三维螺旋结构的通道，通过注入液态合金即可形成微型软体天线，可用于可穿戴设备的信号传输。

为了展现软脱模技术在生物医学工程领域的应用，该团队与秦培武副教授课题组合作，将软脱模技术应用于血管模型的制备，并验证了残余溶剂对血管模型中细胞生长的负面影响，证明该技术具备良好的生物相容性。

未来，研究人员计划采用新型的模板材料，比如具有自润滑特性、超高拉伸量的水凝胶、以及新型软质模板加工工艺，来实现更加复杂、个性化，定制化的通道结构的加工制备。

并且，其还将与不同领域的学者合作，将该技术应用于更加具体的场景，例如用于运动检测和软体机器人里面的可穿戴传感器。

参考资料：

1.Fan D. Yuan X. Wu W. et al. Self-shrinking soft demoulding for complex high-aspect-ratio microchannels. Nat Commun 13 5083 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32859-z