想象一下，一颗小小的种子，竟能成为软机器人的灵感源泉！在科技的奇妙世界里，受牻牛儿苗科种子启发，研究人员利用 4D 打印技术，打造出了具有独特性能的软机器人——【4D Printing of Humidity‐Driven Seed Inspired Soft Robots】发表于【Advanced Science】。这些机器人能够像种子一样，在湿度变化的驱动下自主运动，甚至可以探索土壤。让我们一起走进这个神奇的研究，揭开软机器人背后的奥秘，看看自然与科技是如何完美融合的。
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一、引言
软机器人领域因其利用材料的适应性和可变形性来构建智能变形机器而备受关注。在环境应用中，软机器人需要能够移动、生长、适应环境刺激并可生物降解。同时，为满足机器人领域的能源需求，需要开发利用可再生能源的自主机器人。生物启发为软机器人设计提供了思路，例如牻牛儿苗科种子，其独特的吸湿运动机制可用于促进软机器人的设计。本文将介绍受牻牛儿苗科种子启发，通过4D打印技术制造的软机器人的研究过程和成果。
二、自然种子的结构与运动机制
（一）天竺葵属植物种子结构
以Pelargonium appendiculatum种子为例，它主要由三部分组成：
蒴果：包含种子胚胎，通过各向异性摩擦将旋转运动转化为掩埋行为，将种子结构锚定在土壤中。
芒：是独立的吸湿驱动器，其内部的纤维素微纤维沿圆柱细胞呈螺旋排列。
芒的横切面呈双层结构，由富含木质素的厚壁组织细胞和一层较大细胞组成，其厚度分别为hCap = 39.8±6.9μm和hRidge = 59.7±9.8μm (n=6)。
杠杆：作为被动元件，允许种子自我提升并施加扭矩，起到锚定作用。杠杆区域的细胞结构与芒不同，其纤维素浓度均匀分布，是结构中的非吸湿元件。
（二）种子的运动机制
1.芒的运动原理
芒的卷曲配置由微纤维的几何排列决定，其角度包括倾斜角Ψ（纤维素螺旋轴与细胞轴之间的角度）和纤维素微纤维角θ（相对于纤维素螺旋轴）。通过实验测量（如使用小角度X射线散射），Pelargonium peltatum和appendiculatum的倾斜角为15°±5°，微纤维角θ范围从70°到80°。从宏观角度，芒的螺旋运动还可通过半径R和螺距P来描述，它们随相对湿度（RH）变化。
2.运动的理论建模
为预测种子的运动行为，可将吸湿结构分为三层进行建模。根据相关理论，应力可表示为σ=DαΔΦ，其中D是材料刚度，α是吸湿膨胀系数（CHE），ΔΦ是相对湿度的变化。通过这种建模方式，可以预测芒在不同湿度下的运动参数，如通过实验验证，模型能够较好地预测螺距P和半径R在不同湿度范围内的几何变化。
3.力和力矩的产生
种子的运动能力由芒产生的力F（拉伸力）和力矩M0（弯曲和扭转的组合）介导。
这些力和力矩可通过弹性理论建模，考虑芒为具有矩形横截面的均匀开卷圆柱螺旋弹簧，并考虑水在帽层组织中的渗透模型。通过实验测量，在特定湿度变化下，力矩的最大值为20.7±2.5 μNm，虽然模型预测值为57.7μNm，存在一定偏差，但模型仍在一定程度上能够描述种子的运动行为，为人工种子的吸湿驱动器设计提供参考。
三、软机器人的设计与制造
（一）4D打印吸湿驱动器
1.结构设计
吸湿驱动器通过双层结构模拟芒的变形。被动层采用FDM打印PCL热塑性材料，主动层由同轴静电纺丝沉积的PEO/CNC吸湿纤维组成。这种设计结合了FDM和静电纺丝技术的优势，增加了软机器人原型制作的自由度。
2.材料特性
PCL：是一种热塑性半结晶脂肪族聚酯，具有可生物降解、化学抗性、湿度惰性、灵活性和伸长能力等优点，适合FDM打印。通过表面激活处理（如氧等离子体处理），可增加其与亲水纤维的粘附性。
PEO/CNC纤维：由纤维素纳米晶体（CNC）核心和聚乙烯氧化物（PEO）外壳组成，具有酶促生物降解行为。CNC在聚合物基质中可增加吸湿变形能力，且不影响PEO的吸湿膨胀系数（CHE）。纤维的平均直径为12.7 ± 0.9μm，CNC核心直径为5.4 ± 1.2μm，纤维取向度为90° ± 3°。
3.性能评估
扩散系数：通过实验测量和计算，评估水在帽层的扩散系数D，为2.3±0.7×10-11m2s-1。
力学性能：通过动态纳米压痕和拉伸试验测量纤维层的力学性能。与纯PEO纤维相比，PEO/CNC纤维的储能模量有显著增加。
纤维层的杨氏模量随相对湿度增加而降低，且在纵向和横向排列上表现出各向异性。
（二）人工种子的设计与性能
1.设计过程
人工种子的设计基于对P.appendiculatum种子的生物力学表征、建模以及上述4D打印技术和材料特性。
人工蒴果的设计参考自然种子的轮廓并调整尺寸，人工杠杆设计为三角形轮廓。
选择合适的尺寸参数，如宽度b = 1523±54 μm，长度l=30.3±1.1 μm，被动层厚度hp=100.7±4.6 μm，主动层厚度ha=72.9±6.5 μm。纤维沉积方向设置为与自然种子的倾斜角Ψ=15°相同，以更好地比较性能。
2.性能测试
运动参数：通过实验和建模评估人工种子的运动参数，如螺距和半径随相对湿度的变化。人工种子的扩散常数为4.7±0.5×10-11m2s-1，约为自然种子的两倍。
力和力矩：测量人工种子的拉伸力和力矩，并与自然种子进行比较。人工种子的最大拉伸力为Fmax=2.40±0.58mN，最大力矩为M0 max=30.4±5.1 μNm。人工种子的动力学比自然种子慢，这与活性层厚度和扩散系数的关系有关。
土壤探索：测试人工种子在土壤中的运动能力，将其置于具有不同粗糙度和裂缝的模拟土壤中，在湿度变化的环境下观察其运动。结果表明，人工种子能够适应土壤环境，其运动受到湿度驱动，不同的人工种子表现出不同的运动行为，如穿透裂缝、定向移动或在局部滚动。
重物提升：对人工种子进行重物提升测试，将1g重物固定在人工胶囊上，通过改变湿度，吸湿驱动器能够提升约120倍自身重量的重物，提升高度为5mm，对应的绝对势能约为。但随着相对湿度增加，吸湿层的极限拉伸应力降低，可能导致纤维机械屈服，影响结构恢复初始位置的能力。
四、研究结论
（一）软机器人的性能优势
通过4D打印制造的软机器人在形态、驱动机制和静态性能上与自然种子相似。吸湿驱动器作为一种可再生能源解决方案，适用于环境土壤探索。自然和人工吸湿种子驱动器分别具有一定的能量密度，实验测得的驱动器能量密度峰值约为，与现有软吸湿驱动器相当。
（二）设计的权衡考虑
在软机器人设计中，种子机器人的几何尺寸、材料选择和纤维方向性需要根据具体场景进行权衡。几何尺寸的增加会导致力和力矩的增加，但动力学速度会变慢。
（三）可持续发展的意义
本研究中使用可生物降解材料和环保加工方法对可持续和绿色机器人的发展至关重要，可避免在自然环境中产生新的废弃物，无需进行回收操作。
（四）潜在应用价值
这种受种子启发的软机器人可用于环境表土监测，集成采样和传感功能，是一种简单低成本的数据采集系统，可在远程地区原位收集具有高时空分辨率的数据。
1、软机器人在环境应用中应具备以下哪些特性？（ ）
A. 仅能移动
B. 移动、生长、适应环境刺激且可生物降解
C. 无需适应环境
D. 不可生物降解
2、Pelargonium appendiculatum 种子芒的卷曲配置由哪些角度决定？（ ）
A. 仅倾斜角Ψ
B. 仅纤维素微纤维角θ
C. 倾斜角Ψ和纤维素微纤维角θ
D. 与角度无关
3、吸湿驱动器的被动层采用什么材料制造？（ ）
A. PEO
B. CNC
C. PCL
D. 以上都不是
4、人工种子设计中，纤维沉积方向设置为与自然种子的哪个角度相同？（ ）
A. 倾斜角Ψ=15°
B. 纤维素微纤维角θ= 15°
C. 倾斜角Ψ=30°
D. 纤维素微纤维角θ= 30°
5、软机器人设计中，几何尺寸增加会导致什么结果？（ ）
A. 力和力矩减小，动力学变快
B. 力和力矩增加，动力学变慢
C. 力和力矩不变，动力学不变
D. 仅动力学变慢
6、本研究中软机器人使用的材料对可持续发展的意义在于（ ）
A. 材料不可生物降解，增加废弃物
B. 材料可生物降解，避免新废弃物产生
C. 材料价格昂贵
D. 材料与可持续发展无关
参考文献：
Cecchini L, et al. 4D Printing of Humidity-Driven Seed Inspired Soft Robots. Adv Sci (Weinh). 2023 Mar;10(9):e2205146.
