广东
能够高效执行流体浸没环境中任务的软机器人，在多样化应用中具有巨大潜力。然而，实现依赖动态水下附着和变形能力的机器人化仍然具有挑战性。本文提出采用设计型蛋白质材料建造此类机器人。首先，类resilin蛋白与多金属酸氧酸阴离子复合形成水凝胶，能够在水环境中快速在软粘合和刚性非粘结状态之间切换，以响应微小的温度变化。为了实现对动态附着和变形的远程控制，Fe3O4纳米颗粒随后被整合进水凝胶中，形成具有光热和磁响应性的软机器人。这些机器人已被证明能够完成复杂任务，包括修复人工血管、在红外光和磁场协同控制下捕获并投送多项货物。这些发现为基于蛋白质、具备按需功能的水下机器人的创造铺平了道路。
解析探讨：
该研究旨在解决水下软体机器人面临的核心挑战：如何在流体环境中实现可控、强韧且动态可调的粘附与形变能力。传统水下粘附材料通常缺乏动态响应性，难以在粘附与非粘附状态间快速切换，更无法与机器人的运动、抓取等任务协同。为此，研究团队提出利用设计蛋白质材料构建智能水凝胶，通过动态静电相互作用实现机械性能与粘附性的温度响应性切换，并整合光热与磁响应组件，最终开发出能通过红外光与磁场远程协同控制的水下粘附机器人。
该研究的技术路线始于分子设计与可控复合。团队选用带正电、可化学交联的类节肢弹性蛋白（R32）与刚性、高电离倾向的多金属氧酸盐阴离子（SiW）进行静电复合。通过预交联R32蛋白增强内聚力，再将其滴入SiW浴中快速形成复合凝聚层，经温和搅拌融合成具有对齐微纤维结构的粘性软水凝胶（其可塑形性及微观结构如下图c,d所示）。这种水凝胶展现出独特的热响应性：在室温附近一个狭窄的温度窗口内，其储能模量（E'）和损耗因子（tan δ）发生显著变化，定义了一个软化温度（Ts）。低于Ts时，水凝胶呈刚性、非粘附态；高于Ts时，则转变为柔软、粘附态。
这种可逆转变源于R32与SiW之间动态静电键的热致解离与重组（机械性能切换演示如下图d所示）。更重要的是，粘附的启动温度（Ti）可通过调整R32的二酪氨酸交联度进行精细调控，使得水凝胶（如R32-5%-SiW）能在软粘附与硬非粘附两态间快速切换。
该研究的亮点在于实现了多模态响应与仿生功能的集成。其一，实现了远程光热控制。通过将光热响应的磁性Fe3O4纳米粒子（M-Fe3O4 NPs）整合进水凝胶，制得M-R32-5%-SiW。红外光照射可局部快速加热水凝胶，触发其软化和粘附启动；关闭光源冷却后，水凝胶恢复刚性并锁定形变，粘附强度大幅提升（光热控制粘附过程如下图d所示）。
其二，构建了仿生水下粘附机器人。受变色龙舌头的捕食机制启发，团队开发了“变色龙舌头启发”（CTI）机器人。该机器人由上述光热-磁双响应水凝胶构成，通过协同应用红外光（触发软化和粘附）与外部磁场（提供拉伸驱动力），能够在水下实现远程捕获目标。机器人可像舌头一样伸长超过其静止长度的数倍，粘附目标后，撤去光与磁，水凝胶冷却硬化，从而牢固抓取并提起物体（仿生机器人捕获过程如下图c所示）。其三，揭示了性能可调的深层机制。粘附强度取决于水凝胶内聚性与界面粘附性的平衡，而链迁移率和表面疏水性的显著变化共同贡献了可切换的粘附行为。
这项工作的核心创新点在于：第一，创造性地利用蛋白质与多金属氧酸盐的动态静电复合，构建了在温和温度范围内机械性能与粘附性可逆、快速切换的智能水凝胶体系；第二，将光热响应与磁响应组件集成于该水凝胶中，实现了对水下粘附与形变的非接触、远程协同控制；第三，受生物启发，成功演示了集伸长、粘附、抓取、释放于一体的软体机器人原型，完成了水下捕获与递送多个货物、修复人工血管等复杂任务。
该研究的价值在于为下一代水下软体机器人提供了一种高度可编程、环境适应性强且功能集成的智能材料平台。其前景广阔，这种基于蛋白质的响应性水凝胶机器人，不仅为微创手术、靶向药物递送、组织修复等生物医学应用提供了新工具，也为水下环境监测、样本采集、设备维护等海洋探索任务开辟了新的技术路径。通过进一步优化材料配方与控制策略，有望实现更复杂、更自主的水下作业能力。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-44564-6
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