港中文《自然·通讯》：水凝胶弹射器打破纪录：16.6米/秒高速发射，一次穿刺即可深层活检

在微型机器人领域，实现高速、大力的脉冲式弹射运动一直是极具挑战性的目标。自然界中，从真菌的孢子散播到昆虫的捕食，弹射运动普遍存在，它能让生物体在保持自身位置稳定的同时，将物体高速发射出去。对于毫米至厘米尺度的微型机器人而言，若能集成此类弹射功能，将在受限空间内实现高效的远程非接触操作，尤其在需要输出超过1牛顿力的医疗场景（如抓取、夹持、切割、活检和支架部署）中潜力巨大。当前，主流的功率放大策略依赖于“闩锁-弹簧”系统，通过弹性结构储存能量再瞬间释放。然而，基于刚性材料的此类系统存在小型化困难、多组件集成复杂以及在生物医学应用中安全性欠佳等问题；而采用软体材料的策略（如液晶弹性体）虽可实现光控发射，但其固有的能量储存能力有限、释放时间较长，导致动能传递效率低下，弹射性能远不能满足实际应用需求。

针对上述挑战，香港中文大学张立教授、澳门大学徐青松教授、中国科学院深圳先进技术研究院徐天添研究员、浙江大学潘程枫研究员合作，提出了一种全新的动态耦合弹射策略。该策略并非依赖材料或机制的改良，而是通过相位转变驱动的快速形变、弹射物以及基底三者之间的动态相互作用，实现了动量的高效生成与传递。相关论文以“Dynamic coupling enables impulsive ejection in a hydrogel catapult”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队设计了一种双层结构的水凝胶弹射器：上层为掺杂石墨烯的高韧性聚丙烯酸-丙烯酰胺共聚物水凝胶，下层为不含石墨烯的透明水凝胶约束层。弹射物置于上层表面。当近红外光从底部照射时，下层透明水凝胶允许光线通过并被上层石墨烯吸收，产生光热效应，使局部温度在2秒内迅速升至120℃以上，进而诱导水凝胶网络内的水发生液-气相变（图1a）。这一快速相变过程在1.6毫秒内完成，产生剧烈的向上形变，将初始动量传递给弹射物（图1b）。关键的设计在于，下层比上层更厚（厚度比为1:1.2），且弹射器置于刚性基底上，形成强约束以阻挡向下膨胀并引导气流向上，从而确保形变方向朝向弹射物。实验表明，该弹射器可将与自身重量（200毫克）相当的弹射物垂直发射至6.15米高度（图1c），相当于其自身长度的2050倍；经计算，弹射物的起飞速度高达16.6米/秒，起飞加速度达到1.04×104米/秒²。更令人惊叹的是，该弹射器能够抛射从轻质粉末到重达10克（自重的50倍）的物体，甚至能将200克（自重的1000倍）的重物推倒（图1d），其功率密度超过8.74×104瓦/千克，超越了绝大多数天然和人工微型弹射系统（图1e）。

图1| 水凝胶弹射器的弹射驱动机制。a 弹射驱动机制示意图。b 来自补充视频1的高速相机图像显示了水凝胶弹射器的弹射过程。c 来自补充视频2的叠加图像显示了近红外光驱动下的弹射高度。插图：图1c中使用的水凝胶弹射器和弹射物的尺寸对比，弹射物质量为203毫克，与弹射器自重（200毫克）相当。d 来自补充视频2的叠加图像显示了质量为10克（即水凝胶弹射器自重的50倍）的弹射物的弹射过程。e 光驱水凝胶弹射器与自然界和工程弹射器的起飞速度和弹射物质量对比。注：所示数据仅限于重量在毫克至克级别的微型生物/工程弹射器。

研究团队对影响弹射性能的关键因素进行了系统分析，揭示了动态耦合的核心作用。首先，基底刚度至关重要：相较于柔性基底（聚二甲基硅氧烷）和无基底（悬空）状态，刚性基底（玻璃）能使弹射器获得更大的形变和更快的动量传递（1.6毫秒 vs. 2.6毫秒）（图2a），因为刚性基底最小化了能量耗散，使反射气流获得更大的向上冲击速度，反映在弹射物的速度曲线上，刚性基底条件下弹射物更快达到峰值速度（图2b）。其次，水凝胶与基底之间的界面粘附力同样关键（图2c）：通过在水凝胶与基底间引入水作为润滑剂以降低粘附力，在不同基底（玻璃、PET、PE）上的弹射高度均显著下降（图2d），证明强粘附力能减少弹射器位移和气流分散，从而提升动能输出。此外，弹射物的重量也呈现出非单调的影响规律：随着弹射物质量增加，相互作用时间延长（从60毫克弹射物的1.0毫秒延长至380毫克弹射物的1.6毫秒），传递的动能先上升后趋于平台（图2e、f），而弹射高度则先增后减，最优弹射质量约为弹射器自重的1至2倍。

图2| 影响水凝胶弹射器弹射性能的因素。a 水凝胶弹射器在玻璃基底、聚二甲基硅氧烷基底和无基底（悬空）条件下的形变和致动时间对比。注：弹射物质量为380毫克。b 在玻璃、聚二甲基硅氧烷和无基底条件下弹射物在致动期间的速度曲线。c 水凝胶弹射器与基底之间界面粘附力示意图。d 不同基底上有/无水润滑（阻断界面粘附）条件下的弹射高度对比。数据点以均值±标准差（n=4）表示。e 不同重量弹射物的动能获取情况，以及f 水凝胶弹射器的致动时间。注：所有弹射物均制成圆柱形（直径10毫米，高10毫米），密度不同以减小测量误差。数据点以均值±标准差（n=4）表示。

该水凝胶弹射器展现出了广泛的适用性。无论是将颜料粉末高速喷出（图3a、b）——主要依赖弹性形变和破裂诱导的向上蒸汽喷射，还是将硬币等重物弹射（图3c）——主要依赖相变驱动的动能传递，该系统均能胜任。研究团队还巧妙利用水凝胶与玻璃之间的粘附力，并结合上表面的水作为约束，使弹射器在相变时产生向下的形变撞击桌面，从而将整个滴定管系统（总质量达20.84克，为弹射器自重的104.2倍）弹起13毫米高（图3d）。更有趣的是，研究者利用该弹射器构建了一个模拟Sphaerobolus真菌孢子散播的物理模型（图3e），对比了单颗孢子、未封装孢子簇和封装孢子囊三种场景（图3f），发现封装后的“孢子囊”能够获得最远的弹射距离（图3g），从动力学角度解释了为何自然界中该真菌选择以整个孢子囊而非单个孢子进行散播——尽管能耗更高，但能显著增加传播距离并提高孢子存活率。

图3| 水凝胶弹射器对不同弹射物的弹射性能。a 示意图和b 来自补充视频4的快照，显示粉末弹射过程。c 来自补充视频4的叠加图像，显示硬币弹射过程。d 示意图和来自补充视频4的快照，显示水凝胶弹射器作为致动器驱动滴定管跳跃。e 代表孢子囊状弹射行为的物理模型示意图。f 高速图像展示了模拟弹射物（即单孢子、孢子簇和孢子囊）的弹射运动。g 三个代表性弹射事件的位置分布。

在方向控制方面，研究者通过精确调控近红外光激活区域相对于弹射物底部的位置，实现了可控的定向弹射（图4a）。当形变作用于弹射物底部左侧时，弹射物向右飞出；反之则向左（图4b），且弹射高度和水平位移保持一致（图4c）。通过程序化控制光斑位置，可在前后左右四个方向上实现精准弹射（图4d、e）。基于此方向控制原理，研究者还模拟了变色龙舌头的捕猎行为：将磁铁通过软线与弹射器相连，通过改变光照位置，磁铁可被高速弹射并吸附至预设的铁板目标区域（图4f、g），为微型机器人远程采样和粘附提供了新思路。

图4| 水凝胶弹射器弹射运动的方向控制。a 弹射运动方向控制原理示意图。b 致动瞬间的高速图像和c 来自补充视频5的发射轨迹，显示向左和向右的弹射运动。注：光强度和弹射物分别为15.68瓦/平方厘米和2280毫克。d 示意图和e 来自补充视频5的叠加图像，显示前后左右四个方向的弹射运动。f 示意图和g 来自补充视频5的叠加图像，显示基于定向弹射策略模拟变色龙舌头的捕猎行为。

作为最令人瞩目的应用验证，研究团队开发了一款基于水凝胶弹射器的活检机器人，旨在解决当前细针穿刺活检中因细针容量有限需多次穿刺（通常3至7次）导致的程序时间长、患者不适和并发症风险增加等问题。该机器人采用比传统细针更粗的取样针以增加单次样本量，针尖带有倒刺以防止样本在退针时脱落（图5a）。弹射器被封装在定制的聚二甲基硅氧烷外壳内，以防止近红外光泄漏、保证粘附稳定性，并保护样本免受污染。外壳内部的阶梯结构可精确控制弹射距离，上方略大于针径的通道则确保针体垂直插入。在5wt%琼脂糖凝胶组织模拟物中，该机器人一次弹射即可实现约6毫米的穿透深度（图5b），不同光强度下的穿透深度呈现规律性变化，且垂直和水平方向的穿透性能基本一致（图5c），随后通过系绳牵引机构将针安全收回外壳内。针体拔出后清晰显示成功获取了组织样本（图5d）。在离体猪胃组织实验中，针刺入深层组织并成功获取了足量样本（图5e、f），而外壳封装有效控制了界面温度（峰值仅40.3℃），避免热损伤。结合内窥镜实时成像导航，该活检系统在猪胃内成功完成了靶向深层组织取样（图5g、h），充分证明了其临床应用潜力。

图5| 水凝胶弹射器驱动的胃组织活检机器人。a 所开发的活检机器人的结构和工作原理示意图。b 来自补充视频6的一系列快照，展示了对组织模拟物（即5wt%琼脂糖凝胶）的穿刺过程。c 不同光强度下在琼脂糖凝胶中的穿透深度。插图：垂直和水平穿透深度的对比。数据点以均值±标准差（n=4）表示。d 从琼脂糖中拔出针的图像，显示成功取样。e 来自补充视频6的一系列快照和f 致动后针的图像，显示成功取样过程。g 示意图和h 来自补充视频7的一系列快照，显示猪胃内的活检过程。

总结而言，该工作受Sphaerobolus真菌孢子囊弹射的物理启发展开了系统研究，提出了一种基于相变动量传递的脉冲弹射驱动策略。所开发的水凝胶弹射器实现了创纪录的弹射性能，并成功展示了在深层组织活检中的实际应用。研究者同时指出，与自然界最高效的弹射系统相似，该水凝胶弹射器目前为一次性使用——这种设计使其能在单次动作中释放所有储存能量，从而获得远超可逆机制的功率密度和速度。而对于活检应用而言，一次性使用恰好符合美国食品药品监督管理局对活检器械（如活检针和注射器）的法规要求。此外，通过网格或阵列设计，未来有望实现可编程的顺序弹射，以满足需要重复致动的应用场景。该研究为微型软体机器人实现高速运动和高功率/力输出开辟了新途径。