自然种子启发，4D 打印软机器人，环境探索新工具

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。

*本文只做阅读笔记分享*

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°。