许多动植物，特别是小型动植物（捕蝇草），都使用像弹簧和闩锁那样的特殊部件，以帮助它们真正快速地移动，比仅具有肌肉的动物要快得多。

尽管膨胀引起的植物系统的快速跳跃屈曲启发了许多基于跳跃的聚合物凝胶设备的演示，但大多数设备在没有外部干预的情况下仅限于单个跳跃事件。由于缺乏内部的自我调节机制，在凝胶系统中还没有获得像生命一样的自发性和自我再生性的运动。由于难以以能量和空间高效的方式集成多个组件（即马达，弹簧，能量存储和控制），因此在工程系统中很少实现可重复的跳跃运动。

成果简介

鉴于此，麻省大学Alfred J. Crosby等人通过设计利用瞬态去膨胀过程（常常被忽略的过程）的设备可以克服这些挑战。这代表了转变以前方法的开始，在以前的方法中，仅围绕平衡溶胀和溶胀状态设计器件。在本文中，研究人员证明了利用瞬态变形可以在最初在结构上是同质的系统中产生重复的自主运动。

普通实验中的物理学原理

研究人员在一个普通的实验中发现了物理学原理，该实验涉及观察凝胶条的干燥情况。研究人员观察到，当长而有弹性的凝胶条由于蒸发而失去内部液体时，条会移动。大多数动作都很缓慢，但是每隔一段时间，它们就会加速。

他们选择交联的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）和正己烷作为模型材料系统。添加痕量的二氧化钛纳米粒子作为染料以提高可见度。通过切割模压板制成了一条薄薄的带条状PDMS。该条用溶剂完全溶胀，然后置于黑色聚四氟乙烯（PTFE）薄片上。在消胀过程的最初90 s内，材料变形为弯曲的几何形状，并以看似随机的方式连续转变为不同的形状。复杂的屈曲过渡包括：平滑、简单的弯曲变形和突然的、快速的突弹跳变过渡。

图|重复突弹跳变转变的膨胀的PDMS带

图|条带转变演示

机理阐释

根据先前动力学的研究，必须满足三个条件才能引起突弹跳变的转变：

（1）足够大的横向约束，

（2）弯曲趋势要大于压缩趋势（即纵向变形）

（3）足够的过渡力来改变曲率符号。

当溶剂的蒸发速率比内部扩散速率足够快（扩散受限）时，交联的PDMS网络在拐角处的溶胀速度比中心处快，这是因为拐角附近区域的表面积更大，体积更大。如果带材的厚度足够小，拐角与中心之间的膨胀应变差足够大，以致引起带材的屈曲。对于足够薄的条带，弯曲变形优于拉伸变形，因此较小的横向约束会导致S形屈曲变形。

那么，以自我调节方式再生的过渡力的来源又是什么？

作者认为，曲率引起的表面积差异和相关的溶剂蒸发变化机制被证明与观察结果一致。本质上，一旦发生局部弯曲，弯曲区域的表面积就会发生局部的、不对称的变化。在弯曲的带的凹面上，表面积减小，而凸面表面积增大。尽管这些变化对于细薄的碳带来说可能很小，但它们导致溶剂蒸发方面的显着差异。在凹面上，减小的表面积减少了溶剂蒸发并减缓了持续的溶胀。相反，在凸面上，蒸发得到增强并导致更快的去溶胀，因此，更快的收缩达到了屈曲以扭转局部曲率的临界阈值。

形状的影响

从干燥带上学习了基本的物理原理之后，研究小组尝试了不同的形状，以找到最有可能以预期方式发生反应的形状，并且这种形状可以重复移动，而无需任何马达或手即可将其复位。作为此概念的证明，研究人员制备了轴对称壳结构，该结构可实现最大位移变化。该团队甚至表明，重新成形的条带可以完成工作，例如自己爬上楼梯。

图|扁圆板形成球壳的瞬态过程

图|弹跳演示

小结

总的来说，科学家发现了如何制造仅靠自身环境中的能量流就可以自我恢复的材料，也说明了材料如何通过利用与环境的相互作用（例如通过蒸发）来产生强大的运动，它们对于设计新的机器人非常重要，尤其是在难以安装马达、电池或其他能源的小型机器人上。这项研究可以使未来的军用机器人能够摆脱自身的能量。

参考文献：

Kim, Y., van den Berg, J. & Crosby, A.J. Autonomous snapping and jumping polymer gels. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00909-w