本科生團(tuán)隊(duì)造出"人造肌肉"新材料，讓軟體機(jī)器人編程變簡(jiǎn)單

你可能以為軟體機(jī)器人的控制需要復(fù)雜的電子系統(tǒng)，但滑鐵盧大學(xué)的一群本科生最近證明：有時(shí)候，答案就藏在材料本身的化學(xué)性質(zhì)里。

這群學(xué)生造出了一種類似人體組織的水凝膠，能讓軟體機(jī)器人動(dòng)起來——而且不需要傳統(tǒng)上那些繁瑣的編程步驟。他們的導(dǎo)師、化學(xué)工程教授Hamad Shahsavan把這項(xiàng)成果稱為"信任學(xué)生、支持學(xué)生去做有挑戰(zhàn)的研究"的典范。

故事要從博士生Negin Bouzari讀到的一篇學(xué)術(shù)綜述說起。

"我覺得那個(gè)想法就藏在引言的某句話里，"Bouzari回憶道，"有一句話特別吸引我。我意識(shí)到，雖然這個(gè)研究方向已經(jīng)存在很多年了，但從來沒有人把它應(yīng)用到我們正在研究的材料體系上。"

這個(gè)被"藏"起來的想法，最終變成了一項(xiàng)發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上的研究。而執(zhí)行這個(gè)想法的，是一支由本科生組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)——化學(xué)專業(yè)的Melanie Bouzanne、納米技術(shù)工程的Micahel Ali、生物醫(yī)學(xué)工程的Nrushanth Suthaharan，都是通過滑鐵盧大學(xué)的帶薪實(shí)習(xí)項(xiàng)目（co-op program）加入的。這個(gè)項(xiàng)目讓學(xué)生能在學(xué)習(xí)期間積累最多兩年的工作經(jīng)驗(yàn)。

說人話就是：這些本科生一邊上課，一邊拿著工資，一邊做出了能發(fā)在材料化學(xué)頂刊上的成果。

那么，他們到底做了什么？

水凝膠這東西，你可以想象成一種超級(jí)軟的、和人體組織相容的材料。科學(xué)家們一直對(duì)它寄予厚望，覺得未來可以用它做微型機(jī)器人，進(jìn)入人體做無創(chuàng)醫(yī)療——比如鉆進(jìn)消化道或者生殖系統(tǒng)里干活。但問題是：怎么讓這種軟趴趴的材料按指令動(dòng)起來？

傳統(tǒng)方法需要復(fù)雜的電子控制，相當(dāng)于給軟體機(jī)器人裝上一套"神經(jīng)系統(tǒng)"。但Bouzari的團(tuán)隊(duì)換了個(gè)思路：能不能讓材料自己對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，省去那些繁瑣的編程？

他們利用了一個(gè)化學(xué)上的細(xì)節(jié)：組成水凝膠的分子，大部分電荷不強(qiáng)，但有些分子同時(shí)帶正電和負(fù)電。研究團(tuán)隊(duì)把這兩類分子混在一起溶于水，然后把溶液夾在兩塊玻璃片中間——一塊不帶電，一塊帶正電或負(fù)電。

接下來發(fā)生的事，有點(diǎn)像磁鐵的同極相斥、異極相吸：喜歡電荷的分子往帶電的玻璃片跑，討厭電荷的分子往不帶電的玻璃片跑。這種分子層面的"站隊(duì)"行為，讓水凝膠產(chǎn)生了可控的形變——換句話說，它自己"動(dòng)"起來了，而且動(dòng)的方式可以通過玻璃片的電荷來調(diào)節(jié)。

這相當(dāng)于給軟體機(jī)器人做了一套"化學(xué)編程"：不需要寫代碼，不需要接電線，只需要設(shè)計(jì)好材料所處的化學(xué)環(huán)境。

Shahsavan教授說，他希望鼓勵(lì)自己教的本科生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做研究，也希望讓研究生成為真正的研究領(lǐng)導(dǎo)者。從這次的結(jié)果來看，這個(gè)理念確實(shí)奏效了——發(fā)論文的時(shí)候，本科生們和博士生一樣，是實(shí)實(shí)在在的貢獻(xiàn)者，不是來"打雜"的。

這項(xiàng)研究的有趣之處，在于它同時(shí)解決了兩個(gè)難題：一個(gè)是材料科學(xué)的（怎么讓水凝膠動(dòng)起來），另一個(gè)是工程教育的（怎么讓學(xué)生在真實(shí)的科研中成長(zhǎng)）。而這兩個(gè)問題的答案，都指向同一個(gè)方向——相信年輕人能看到那些被"藏"在文獻(xiàn)字里行間的機(jī)會(huì)。

至于這種水凝膠什么時(shí)候能真的鉆進(jìn)人體干活？科學(xué)界目前還沒定論。但至少，讓這些軟體機(jī)器人動(dòng)起來的方法，已經(jīng)比過去簡(jiǎn)單多了。