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Animating hydrogel knotbots with topology-invoked self-regulation

拓扑(电路) 机器人 计算机科学 联轴节(管道) 旋转(数学) 纺纱 对称(几何) 工作(物理) 物理 纳米技术 经典力学 生物系统 人工智能 材料科学 工程类 机械工程 几何学 数学 生物 热力学 电气工程
作者
Qing Zhu,Weixuan Liu,Olena Khoruzhenko,Josef Breu,Wei Hong,Qiang Zheng,Zi Liang Wu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:15
标识
DOI:10.1038/s41467-023-44608-x
摘要

Abstract Steering soft robots in a self-regulated manner remains a grand challenge, which often requires continuous symmetry breaking and recovery steps for persistent motion. Although structural morphology is found significant for robotic functions, geometric topology has rarely been considered and appreciated. Here we demonstrate a series of knotbots, namely hydrogel-based robots with knotted structures, capable of autonomous rolling and spinning/rotating motions. With symmetry broken by external stimuli and restored by self-regulation, the coupling between self-constraint-induced prestress and photothermal strain animates the knotbots continuously. Experiments and simulations reveal that nonequilibrium processes are regulated dynamically and cooperatively by self-constraints, active deformations, and self-shadowing effect of the photo-responsive gel. The active motions enable the knotbots to execute tasks including gear rotation and rod climbing. This work paves the way to devise advanced soft robots with self-regulated sustainable motions by harnessing the topology.
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