能穿越水环境的刺激响应性、无束缚水凝胶可以应用于生物医学，微流体和软机器人领域。相较于通过流体或气动信号控制其运动的束缚型机器人，无束缚型机器人可以批量生产、在狭小空间工作，并且不需要布线、外部电源的支持下工作。
刺激响应性水凝胶可以通过不同的环境刺激形成相应的反应，是制备无束缚型机器人的理想材料。
基于聚（
n -
异丙基丙烯酰胺）（
pNIPAM
）刺激响应性水凝胶可以在人类生理和环境温度范围内经历较低的临界溶液温度（
LCST
）转变。之前的研究已经使用模塑、
3D
打印、光刻技术创建可以运动的
pNIPAM
结构。然而，
仅利用水凝胶双分子层的溶胀和消溶胀来打破形态对称性（定向运动的基本要求）是一个挑战。因此研究者通过制造分级的基底或受限通道来打破对称性和直接运动，但这也限制了这种机器人的普遍适用性。
约翰
·
霍普金斯大学
David H. Gracias
团队
利用横向尺寸以及双层水凝胶（聚丙烯酰胺水凝胶和聚（
n -
异丙基丙烯酰胺）水凝胶）厚度的不对称产生制动，通过外部环境对于温度响应性水凝胶的刺激，在形成溶胀、消溶胀的循环过程中产生相位差从而实现运动。
该工作建立了一个可用于设计可调控、可量产和多功能的无束缚刺激响应性运动体的概念框架。该工作以
“Untethered unidirectionally crawling gels driven by asymmetry in contact forces”
为题发表在
22
年的《
Science Robotics
》上。
【文章亮点】
（1）
该机器人基于
3D
打印技术制造，由热响应溶胀凝胶（
pNIPAM)
和非溶胀凝胶（
PAM
）组成。该结构是通过一个悬浮的中心连接器
来耦合不对称的双层段，这种设计的不对称性可以通过温度刺激之后形成不对称的溶胀、收缩，从而形成相位差。
（2）
两侧凝胶不对称的影响：
通过在
25
℃和
60
℃之间的切换对机器人的运动进行控制。当从
60
℃冷却到
25
℃时，中间的连接器溶胀、下垂，沿着两侧的凝胶接触基底，充当了锚的作用，在冷却半周期结束时两侧的水凝胶由于上层凝胶的溶胀向下弯曲。在加热半周期中两侧的凝胶由溶胀的弯曲状态切换到脱水的塌陷状态，由于两侧凝胶溶胀尺寸、曲率的不同，充当“锚”作用的物质由连接器切换为前侧的凝胶（及双层厚度比例较大一侧的凝胶）。最终，当后侧的凝胶（即双层厚度比例较小一侧的凝胶）和连接器被拉向前侧凝胶，因此形成凝胶的前移。
（3）
连接器刚度的影响：
将两段双层凝胶利用刚性更大的
PAM
凝胶连接，在冷却半周期期间，刚性连接件保持原状。连接器仍悬浮在两层之间。由于前侧凝胶和后侧凝胶之间的净接触力不对称性增加，单向位移从每周期
4.4
增加到
5.6%
体长。
（4）
交替组装凝胶增加位移：
由两个小的和两个大的双层段组成，由两个
PAM
凝胶和三个
pNIPAM
凝胶组成的连接器连接。在冷却半循环过程中，连接器再次拉长，并且与接触面的锚定最小，同样有效地表现为刚性连接器。由于两个较大的双层结构一侧的接触面积较大，因此机器人始终朝该方向移动，每周期的位移为
12.2%
体长。该机器人可以通过改变双层结构和连接体的形态、相对接触面积来控制机器人移动。
（5）
潜在应用：
该结构凝胶可以通过减少扩散时间（如使用更薄的薄膜）或结合非线性化学或机械过程来加快速度。这种设计应用较为广泛，可以在水环境中、狭小环境中工作。对于刺激响应，可以添加局部加热装置从而实现驱动，驱动方式也可以更换不同的响应性凝胶，从而实现制造应用更广泛性、形状可编程性的机器人。
图
1
带有悬浮连杆的多节段凝胶机器人的设计与制造
图
2
在热循环过程中，通过改变厚度比来调整双层膜的驱动时间和曲率
图
