Nature Nature子刊：在空中超快跳跃、滚动的光敏水凝胶驱动器( 二 ) Nature

水凝胶驱动器的运动控制凝胶驱动器运动的速度核高度取决于于H 2 O的含量、IONP的含量和水凝胶驱动器的尺寸。 H 2 O含量较少时，水凝胶驱动器产生的水蒸气数量有限，只能产生小气泡，移动速度低。但如果H 2 O含量太高，过量的水也会降低由IONP的光热效应，导致蒸汽少，气泡效，运动速度慢。 H 2O含量为60wt％时，运动性能最佳。 IONP的量必须足够高才能产生足够的光热效应以推动水凝胶驱动器的运动。但IONP含量太高时，水凝胶的杨氏模量会急剧增加，其柔韧性降低，导致气泡少。最佳IONP含量约为2 wt％。水凝胶的最佳半径为1毫米。尺寸太小会导致在辐照区域的水含量低，变形小。尺寸太大会抑制推进力，运动速度降低。
驱动器的运动行为具有良好的可控性。通过调节激光功率和辐照位置，可以实现水凝胶驱动器的不同运动行为。激光功率在0.04-0.39 W时，气泡形成缓慢，无法提供足够的驱动力来跳跃，水凝胶只能滚动；在0.67-2.34W时，沿垂直方向的分量驱动力会抑制重力，从而使水凝胶跳动，在0.39-0.67 W时，水凝胶跳跃或滚动，运动行为依赖于照射位置。照射角为58°≤α?≤62.4°时进行滚动运动，62.4°≤α≤90°时实现跳跃。此外跳跃的方向和滚动行为也可以通过调节照射位置操纵（ 3c ， f ， j ， m插图）。当光线照射过强（即高于2.34 W）时，水凝胶驱动器会燃烧。激光功率和水凝胶驱动器的移动速度之间存在线性关系（图 3g ， n），说明水凝胶驱动器的可操纵性。由于跳跃高度和滚动距离都与水凝胶驱动器的运动速度密切相关，因此也可以利用激光功率以定量的方式调节跳跃高度和滚动距离。此外，可以通过结合其跳跃和滚动行为来设计水凝胶的轨迹和目的地。
图3：光驱式空气水凝胶驱动器的运动控制。
水凝胶驱动器的潜在应用这种水凝胶驱动器在不同情况下均具有出色的适用性。水凝胶驱动器可以越过的14 cm障碍物（图 4a ， e–g），能够在斜坡上滚动（图4b， h–j），它的翻滚最大角度为15° 。它的滚动行为的良好可控制性，可以连续地被导向并穿过它一个仅比水凝胶宽1.6 mm的狭窄缝隙（图4c， k– m）。当在透明Z形管的复杂环境中运动时，水凝胶驱动器能够表现出复杂的滚动和跳跃行为。
图4：示意图说明了水凝胶驱动器在不同情况下的适用性。 a越过障碍物， b越过斜坡， c穿过狭缝， d穿过透明的Z形管。
最后，作者还设计了一个小型移动机器人，该机器人由一个迷你侦听器组成，并组装有四个由水凝胶驱动器组成尺寸为8×4×2mm ，重量约10g的轮子。由于水凝胶驱动器的强大，快速和准确的移动性能，可以使机器人接近扬声器并以无线方式录制声音，监测之后，机器人可以从扬声器照明下离开（以下视频）。这为NIR激光纤维（甚至是激光源）安装在驱动器上铺平了道路，从而使激光器可以与水凝胶驱动器一起移动，这可能使水凝胶驱动器的连续驱动。
此外，该水凝胶驱动器甚至能够实现受控的货物运输和交付，由于PBR的粘性，部分表面附着有由纸制成的模型货物的驱动器在照射驱动器表面的未覆盖部分时仍可被驱动在玻璃隧道内，从而将货物与其一起运输。一旦执行器到达所需位置，就可以通过辐照靠近货物覆盖的执行器表面的位置来可控地释放模型货物，光诱导的突出物减小货物与执行器之间的接触面积，导致货物脱离驱动器表面，从而释放货物。
参考文献：
nature.com/articles/s41467-020-17775-4#Sec15
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