水凝胶环执行器利用Michell不稳定性实现快速变形

在自然界中，机械不稳定性如屈曲、褶皱和快速翻转等现象被生物体广泛利用，以实现快速运动与变形，例如捕蝇草的叶片闭合。Michell不稳定性作为一种经典的机械不稳定性，当弹性环中的预扭转超过临界值时，环会从平面或鞍形迅速转变为“8”字形构型。尽管这种不稳定性在DNA分子和植物器官中具有重要作用，但在软体执行器设计中却鲜有应用，主要原因在于难以动态调控环的预扭转。

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近日，浙江大学郑强教授、吴子良教授和南方科技大学洪伟教授合作通过利用刺激触发的Michell不稳定性，成功开发出能够快速变形的基于水凝胶的环执行器。该执行器在受热或光照条件下，可从鞍形构型迅速转变为“8”字形构型。研究通过实验与模拟揭示了其机制：刺激引起具有各向异性结构的水凝胶弦的弯曲和扭转刚度发生变化，从而降低了触发Michell不稳定性所需的临界扭转值。该设计为开发具有快速响应和大变形能力的软体机器提供了新思路。相关论文以“Michell"s-Instability-Mediated Fast Reconfiguration of Hydrogel-Based Ring Actuators”为题，发表在

研究团队首先制备了具有各向异性结构的水凝胶弦。通过剪切流动诱导纳米片在凝胶中定向排列，并结合金纳米颗粒赋予其光热响应能力。该水凝胶在受热或光照时发生快速等容变形，其扭转刚度显著上升，而弯曲刚度仅轻微增加，从而提高了扭转与弯曲刚度比（Kt/Kb），为触发不稳定性创造了条件。

图1展示了Michell不稳定性的触发机制。传统方式是通过增加预扭转来引发不稳定性（图1a），而本研究则通过外部刺激降低临界扭转值，使原本稳定的环在预设扭转下发生快速重构（图1b）。这种机制使得水凝胶环能在刺激下从鞍形迅速转变为“8”字形，并在刺激移除后保持新构型。

图1 a) 通过人工增加预扭转触发Michell不稳定性。随着预扭转增加，环从近似平坦、鞍形到“8”字形构型转变。 b) 各向异性凝胶环在外部刺激下触发Michell不稳定性，刺激降低了临界扭转值，使其低于预设扭转。

图2进一步揭示了水凝胶在刺激下的尺寸变化与力学性能。实验显示，凝胶在受热初期发生快速等容变形，直径扩张、长度收缩，而体积保持不变。同时，其扭转刚度显著提高，弯曲刚度变化较小，导致Kt/Kb比上升，这是触发不稳定性的关键因素。

图2 a,b) 通过剪切流动诱导纳米片定向排列合成各向异性凝胶的示意图。 c) 各向异性凝胶在38°C水浴中尺寸与体积随时间的变化。 d,e) 不同纳米片含量与温度下凝胶的扭矩-扭转曲线与扭转刚度。 f,g) 不同条件下的拉伸应力-应变曲线与弯曲刚度。 h) 凝胶的Kt/Kb比随纳米片含量的变化。

图3研究了不同预扭转下环的构型与稳定性。当预扭转达到4π时，环呈现双稳态特性，可在鞍形与“8”字形之间切换。扭矩-扭转角曲线和能量图谱显示存在两个局部能量极小值，进一步证实了其双稳态行为。

图3 a,b) 不同预扭转下凝胶环的照片与模拟变形及能量密度分布。 c) 凝胶环归一化离面位移随预扭转的变化。 d) 通过外部扭矩使凝胶环从鞍形转变为“8”字形的示意图。 e,f) 环执行器扭矩与能量随扭转角的变化曲线。

图4记录了热或光触发下环的快速重构过程。在38°C水浴或520 nm光照下，环在数秒内发生Michell不稳定性，并伴随高速旋转，最大转速达220°/s。光强越高，触发所需时间越短，旋转速度也相应提高。模拟结果进一步表明，不稳定性发生时的Kt/Kb比与实验数据一致。

图4 a,b) 凝胶环在加热与光照下触发Michell不稳定性的连续照片。 c) 环执行器旋转角α的示意图。 d) 旋转角随光照时间的变化。 e) 光强对触发不稳定性所需时间的影响。 f) 模拟显示加热过程中凝胶环的应变能密度分布。 g) 弯曲与扭转能随温度变化的比例。 h) 应变能随Kt/Kb比的变化。 i) 通过外部扭矩使环从“8”字形恢复至鞍形的示意图。 j,k) 恢复过程中扭矩与能量随扭转角的变化。

图5探讨了环尺寸与预扭转对不稳定性的影响。当环的长径比L/D ≥ 15时，临界扭转值趋于稳定，主要由材料刚度比决定。不同预扭转的环在刺激后表现出不同的稳定性行为，进一步验证了能量势垒对构型保持的影响。

图5. 环形执行器的不同构型及其与各种条件的关系。 a) 不同长径比与预扭转下环执行器的构型相图。 b,c) 预扭转为4π与3.5π的环在加热与外力作用下的构型变化。

图6展示了环执行器在水环境中的多种应用。例如，通过光触发重构作为光学开关点亮LED；利用快速旋转踢动小球；驱动瓶盖旋转90°；以及多个环串联实现协同变形与累积旋转。这些演示证明了其在软体机器人中执行复杂任务的潜力。

图6. 基于光照射下Michell不稳定性介导的环形执行器重构所开发的水凝胶器件。a) 环执行器作为光学开关点亮LED。 b) 环执行器踢动塑料球。 c) 环执行器旋转瓶盖。 d) 多个同手性环在扫描光下的序列旋转。 e) 两个相反手性环的协同不稳定性与旋转。

该研究成功将Michell不稳定性引入软体执行器设计，实现了水凝胶环的快速、大幅重构。未来，这一原理有望拓展至其他响应性材料，如液晶弹性体，进一步推动高性能软体机器人与智能驱动系统的发展。