廣東
能夠高效執行流體浸沒環境中任務的軟機器人，在多樣化應用中具有巨大潛力。然而，實現依賴動態水下附著和變形能力的機器人化仍然具有挑戰性。本文提出采用設計型蛋白質材料建造此類機器人。首先，類resilin蛋白與多金屬酸氧酸陰離子復合形成水凝膠，能夠在水環境中快速在軟粘合和剛性非粘結狀態之間切換，以響應微小的溫度變化。為了實現對動態附著和變形的遠程控制，Fe3O4納米顆粒隨后被整合進水凝膠中，形成具有光熱和磁響應性的軟機器人。這些機器人已被證明能夠完成復雜任務，包括修復人工血管、在紅外光和磁場協同控制下捕獲并投送多項貨物。這些發現為基于蛋白質、具備按需功能的水下機器人的創造鋪平了道路。
解析探討：
該研究旨在解決水下軟體機器人面臨的核心挑戰：如何在流體環境中實現可控、強韌且動態可調的粘附與形變能力。傳統水下粘附材料通常缺乏動態響應性，難以在粘附與非粘附狀態間快速切換，更無法與機器人的運動、抓取等任務協同。為此，研究團隊提出利用設計蛋白質材料構建智能水凝膠，通過動態靜電相互作用實現機械性能與粘附性的溫度響應性切換，并整合光熱與磁響應組件，最終開發出能通過紅外光與磁場遠程協同控制的水下粘附機器人。
該研究的技術路線始于分子設計與可控復合。團隊選用帶正電、可化學交聯的類節肢彈性蛋白（R32）與剛性、高電離傾向的多金屬氧酸鹽陰離子（SiW）進行靜電復合。通過預交聯R32蛋白增強內聚力，再將其滴入SiW浴中快速形成復合凝聚層，經溫和攪拌融合成具有對齊微纖維結構的粘性軟水凝膠（其可塑形性及微觀結構如下圖c,d所示）。這種水凝膠展現出獨特的熱響應性：在室溫附近一個狹窄的溫度窗口內，其儲能模量（E'）和損耗因子（tan δ）發生顯著變化，定義了一個軟化溫度（Ts）。低于Ts時，水凝膠呈剛性、非粘附態；高于Ts時，則轉變為柔軟、粘附態。
這種可逆轉變源于R32與SiW之間動態靜電鍵的熱致解離與重組（機械性能切換演示如下圖d所示）。更重要的是，粘附的啟動溫度（Ti）可通過調整R32的二酪氨酸交聯度進行精細調控，使得水凝膠（如R32-5%-SiW）能在軟粘附與硬非粘附兩態間快速切換。
該研究的亮點在于實現了多模態響應與仿生功能的集成。其一，實現了遠程光熱控制。通過將光熱響應的磁性Fe3O4納米粒子（M-Fe3O4 NPs）整合進水凝膠，制得M-R32-5%-SiW。紅外光照射可局部快速加熱水凝膠，觸發其軟化和粘附啟動；關閉光源冷卻后，水凝膠恢復剛性并鎖定形變，粘附強度大幅提升（光熱控制粘附過程如下圖d所示）。
其二，構建了仿生水下粘附機器人。受變色龍舌頭的捕食機制啟發，團隊開發了“變色龍舌頭啟發”（CTI）機器人。該機器人由上述光熱-磁雙響應水凝膠構成，通過協同應用紅外光（觸發軟化和粘附）與外部磁場（提供拉伸驅動力），能夠在水下實現遠程捕獲目標。機器人可像舌頭一樣伸長超過其靜止長度的數倍，粘附目標后，撤去光與磁，水凝膠冷卻硬化，從而牢固抓取并提起物體（仿生機器人捕獲過程如下圖c所示）。其三，揭示了性能可調的深層機制。粘附強度取決于水凝膠內聚性與界面粘附性的平衡，而鏈遷移率和表面疏水性的顯著變化共同貢獻了可切換的粘附行為。
這項工作的核心創新點在于：第一，創造性地利用蛋白質與多金屬氧酸鹽的動態靜電復合，構建了在溫和溫度范圍內機械性能與粘附性可逆、快速切換的智能水凝膠體系；第二，將光熱響應與磁響應組件集成于該水凝膠中，實現了對水下粘附與形變的非接觸、遠程協同控制；第三，受生物啟發，成功演示了集伸長、粘附、抓取、釋放于一體的軟體機器人原型，完成了水下捕獲與遞送多個貨物、修復人工血管等復雜任務。
該研究的價值在于為下一代水下軟體機器人提供了一種高度可編程、環境適應性強且功能集成的智能材料平臺。其前景廣闊，這種基于蛋白質的響應性水凝膠機器人，不僅為微創手術、靶向藥物遞送、組織修復等生物醫學應用提供了新工具，也為水下環境監測、樣本采集、設備維護等海洋探索任務開辟了新的技術路徑。通過進一步優化材料配方與控制策略，有望實現更復雜、更自主的水下作業能力。
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-44564-6
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