目前，许多人工材料可以对特定的外部刺激做出反应，模仿生物系统中的形状变换和自主运动等行为。然而，这些驱动大多需手动干预或电子电路控制运动，材料仅作为驱动器。受生命体自我调节能力的启发，一些研究工作已经利用材料的体内反馈控制来实现更高级别的自我调节和驱动能力，比如向光性和趋光性。但多数系统依赖材料机械响应实现弯曲、指向、振荡和平衡。尽管此类系统功能丰富且有趣，但机械响应存在速度慢、易疲劳、易受损等缺点，限制了其材料选择。因此，建立一种不依赖直接机械响应、机械耐久性好、能根据外部信号自主精准移动的软体机器人系统的设计范式至关重要。
图1. 光驱动水下软体机器人的设计与表征。
研究团队创新性提出"环境流体驱动"理念，通过将还原氧化石墨烯（r-GO）均匀嵌入高缠结聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，构建出具有超强韧性的光热转换材料（图1）。新型材料的拉伸模量达19.12kPa，是传统软水凝胶的11.7倍；拉伸应变高达2162%，是传统材料的21倍；经9000次循环载荷后仍保持低迟滞特性。在抗压性能方面，其压缩应力达9.62MPa，较同类材料提升2.5倍。在此基础上，开发一种坚韧的水下软体机器人（TG-BOT），并展示了其准确的三维多模态运动。与直觉相反，软体机器人是由聚合物组成的，这些聚合物对光机械没有反应，而是由周围的流体提供动力。这种集成的传感、驱动和控制过程伴随着多物理场耦合，TG-BOT可自主完成困难的任务，如跨越障碍、在陷阱中游泳、在卷曲管中行走，以及其他水下操作。这种全新的光-流-固耦合传热驱动方式展现出卓越的环境适应性（图2）。
图2：光-流-固耦合传热驱动的耦合运动模式。
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该研究突破了光驱动软体机器人领域长期存在的"材料-驱动-耐久性"三角难题，不仅为新一代环境自适应智能系统提供了全新思路，更为软体机器人系统优化、微小无人深海探测器件研发等工程应用奠定了关键基础。
本研究得到国家自然科学基金（项目号：T2488302、T2342010、52076127），国家重点研发计划（2020YFA0711500）等项目的资助。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads4507相关进展
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