中大团队受植物“喷瓜”启发，大幅提升微型机器人功率输出和运动性能

微型机械人的应用范围日益广泛，然而，如何在微小的机器人内部打造高效的驱动装置，增强其活动性能，是业界面临的一大挑战。香港中文大学（中大）工程学院机械与自动化工程学系的一项研究，受植物“喷瓜”启发，开创了可以大幅提升微型机器人功率输出的技术—破裂诱导的功率放大机制（ASEF）。中大并借此发明了光驱动水凝胶弹射器，无论在功率输出和运动性能方面，均远超现存的常规微型工程机械系统。加强功率输出可以拓宽微型机器人的应用范畴，包括开发可进入人体深层组织采样的临床医学用微型机器人，免去病人开刀之苦。研究结果已于国际著名的学术期刊《Nature Materials》上发表。

研究团队受植物启发 成功突破技术瓶颈 

像昆虫般大的微型机器人能在细小的空间内做到传统大型仪器难以执行的任务，例如进入人体采样。然而，微型机器人受限于体型，能承载的能源与组件非常有限，因此需要新技术让它们可积累并瞬间释放能量，以实现大功率输出。

喷瓜的果肉在生长期间会转变成黏液，膨胀使果壁受力拉伸，内部压力不断积累到临界点时，果实顶部就会破裂并将种子喷射到远处。中大研究团队受到此种子传播模式启发，并在浙江大学及美国卡内基梅隆大学团队给予理论与方法学建议的协助下，开创了破裂诱导的功率放大运动机制，并借此研发了光驱动水凝胶弹射器。它由高韧性和弹力的水凝胶制成，内部嵌入可进行光热转换的石墨烯。当弹射器受到近红外线照射时，石墨烯会迅速加热，使水凝胶的水分气化，以致弹射器的体积不断膨胀、变形，产生大量的应变能（即物体在变形时累积的能量）。当能量积累至极限时，会撑破弹射器底部，并将累积的能量于0.3毫秒内瞬间转化为动能释放。

采用这种新技术，一个直径仅7毫米、厚3毫米，如钮扣型电池般大小的水凝胶弹射器，起步速度可达至时速约27公里，加速度（速度随时间的变化率）达每二次方秒25,000米（m/s²），即重力加速度的2,500倍，而垂直发射距离可接近两米，即为弹射器长度的643倍。这种新的功率放大技术的运动性能和功率输出能力均远超现存的常规微型工程机械系统。

领导研究的中大工程学院机械与自动化工程学系张立教授以射箭解释新技术的原理，“以射箭为例，当手指拉开弓弦时就会逐渐累积能量，一松手便瞬间释放大量能量。”

他续说，“这技术在设计上不涉及复杂结构，制造过程简单，对物料要求不高，成本相宜。现时由于运用这技术时弹射器底部会破裂，每个弹射器只能用一次。我们正尝试改用可‘自愈’的水凝胶物料制作，使其可重复使用。”

张教授说：“新技术有望取代现有微型机器人内的驱动部件，大幅增加其功率输出，使微型机器人在人体内执行支架运载、在肠道等深层组织内采样及切除组织等任务，让更多病人受惠。在农业领域，光驱动水凝胶发射器让机器人有足够的驱动和输出能力，携带种子及RFID弹射至远处，配合在农地设置的RFID读取设备实现定时供水，弹射器的水凝胶吸收水分并膨胀后，可以释放装载的种子，达到自动播种功能。此外，因应新技术的运动能力，它也可能应用于无重力或微重力的环境，在月球或外太空探测中驱动机器人进行任务。”

致谢

本研究得到研究资助局（研资局）、裘槎基金会、医疗机器人创新技术中心、中大—深圳先进技术研究院机器人及智能系统联合实验室和中大天石机器人研究所的支持。