PNAS: 可自转也可公转的自主智能软机器人

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近日，北卡州立大学尹杰团队在2022年自主走迷宫纽带（twisted ribbon）软机器人的工作基础上（参见知社报道“PNAS：能走迷宫能翻沙丘的自主智能扭转软体机器人”）提出了一种解决方案。该团队将热响应活性材料液晶弹性体（LCE）纽带的两端首尾相连，形成一个扭曲封闭手环结构（twisted LCE ring，图1A）。走迷宫机器人首次变身成为一种全新的周期性旋转自主智能软机器人。

图1：扭曲手环制作及其三种周期性运动的描述

视频1：圆周公转

在恒定热源或光照下，该扭环机器人可以自发实现类似行星体的自转与公转耦合的周期性圆周运动，即围绕手环中心自转的同时也围绕环外一固定点公转（图1B，视频1）。与月球的运动类似，其自转与公转不仅旋转方向相同，而且旋转周期也保持一致。自转与公转的方向可以通过扭环的手性来控制，左（右）手旋导致顺（逆）时针旋转。旋转周期（分钟或小时）以及公转半径可通过扭环的几何尺寸来调节。

当把扭环任意放置于有物理边界的密闭受限空间时，一旦扭环机器人接触到边界，可自发调节成环绕边界的周期性旋转运动，其运动轨迹与边界几何形状保持一致（视频2）。当边界形状发生改变，其运动轨迹也可随边界形状自发调整来感知与追踪不同边界形状的变化。但不管边界形状如何变化，其自转与公转周期始终保持一致。该软机器人有望在智能探测未知环境空间边界形貌以及探寻边界结构损伤等领域中找到潜在应用。

视频2: 暗室追踪

北京时间2024年1月9日，论文以“Defected twisted ring topology for autonomous periodic flip-spin-orbit soft robot”为题在线发表在PNAS上。论文第一作者为团队博士生漆方杰，其它作者有博士后李艳滨与赵耀，博士生淸海涛，通讯作者为尹杰。

一个扭环，三种耦合同步周期性旋转运动

当把扭环放置于热表面时（温度高于60摄氏度），扭环自发呈现三种周期性旋转运动（图1，视频3）：由里向外的翻转（flipping），绕环中心的自转或自旋（spinning），以及绕环外一点的圆周运动即公转（orbiting）。有意思的是，自转与公转不仅旋转方向相同，且旋转周期也一样，也就是说，当扭环绕自身中心轴转完一圈，绕环也完成了公转回到原点，继续重复周期性圆周运动。旋转方向由扭环的手性决定，右手旋扭环逆时针旋转，左手旋扭环顺时针旋转。旋转半径与周期取决于扭环的几何参数，比如环的半径，宽度以及螺旋密度等，也可通过温度来控制（图2）。

图2：扭曲手环几何参数与环境温度对公转周期与公转半径的影响

视频3：里外翻转与自转

三种耦合同步周期性旋转运动机理

该团队进一步分析了三种旋转运动的机理（图3）。由里向外翻转机理与扭带类似，主要由上下温度梯度产生翻转驱动力。由于扭曲闭环的几何拓扑结构以及其手征性，圆环中心线的切线方向与扭曲边界切线并不重合，且随圆周变化，这样在扭环接触点就产生了沿圆环切线方向的驱动力，也就是绕圆环中心自转的热驱动力，该驱动力方向由手征性决定（图3C）。

扭环公转旋转运动的驱动力来自于两端连接处缺陷导致的自转热驱动力平衡的破缺（图3A-B）。该团队观察到，由于缺陷的存在，在旋转过程中，在离缺陷不远处，圆环会轻微抬起从而脱离地面（图3B），这样就破坏了切向自转热驱动力的平衡，产生了一个新的沿公转圆周切向方向的驱动力来实现公转（图3D）。

图3：三种旋转运动力学机理

应用：自发探测封闭空间的边界形貌与损伤

当把扭环任意置身于具有一定几何形状的封闭空间中（图4），比如圆形“篱笆”，一旦碰到边界，该扭环会自发沿着圆环边界进行周期性的旋转运动（图4A）。圆环边界的半径设定成小于或等于其无约束自发公转半径，但该条件只是一个充分条件并不是一个必要条件，这是因为扭环与边界的摩擦力也会影响环的旋转运动。该研究团队进一步发现，当把圆形边界替换成非圆形边界，比如正方形（图4B）或三角形（图4C，视频4）边界时，该扭环也会自发沿着其边界进行周期性的公转。不同的是，当沿着直线边界线性移动时，扭环只有内外翻转运动，并没有自转，只有当扭环经过各个转角时，才发生自转，一旦离开转角，自转随即消失，这是由于边界摩擦力在发挥作用。有趣的是，在受限空间中，不管边界几何形状怎么变化，其自转周期始终还是与公转周期保持一致。

图4：扭环在受限密闭空间沿边界周期性运动

视频4: 三角形边界中的运动

该团队进一步验证了扭环在探索未知边界形貌和结构损伤的可能性（图5）。比如将扭环涂上荧光粉，并置于暗室的密闭空间中，通过追踪扭环运动轨迹可以得知密闭空间的几何形状（图5A，视频2）。对于探索更加复杂的凹多边形，比如凹字形边界，可以利用两个左手和右手旋的扭环来分别探索左右两边的边界，然后结合两个扭环的运动轨迹来确定最后的边界形状（图5B，视频5）。当边界出现损伤，比如一个缺口时，通过追踪其运动轨迹，可以判断是否有缺口以及缺口的大小。比如缺口大于环尺寸时，扭环会从缺口逃逸（图5C）。

图5：扭环在探测多种凹凸多边形边界空间以及边界损伤中的应用

视频5: 凹字形密室

展望

通过该研究，研究者展示了将扭曲闭环、缺陷、与智能材料相结合，来设计一种全新周期性旋转自主智能软机器人。该设计理念可以推广到其它活性软材料与结构，来调节与实现丰富的自发智能行为。

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