跳跃，是我们日常生活中司空见惯的动作，大自然里也有不少的跳高冠军——跳蚤轻轻一跃，能跳出自己身高百多倍的高度；青蛙遇到飞虫，后腿用力一蹬，一道绿色闪电划过，就准确无误地将飞虫收入口中。
这些本领，都得益于动物们发达的肌肉系统，它们在神经信号调节下，先收缩储存能量，再在瞬间将能量释放出来，“一蹦三尺高”。因此，肌肉这种看似柔软的组织，具有非常强的能量转化和驱动的能力。
受肌肉组织的启发，科学家们也发明了许许多多的“人工肌肉”。其中，最有代表性的要数一类被称为“响应型水凝胶”的材料了。水凝胶是一类含有大量水的新型材料，日常生活中常见的果冻、豆腐等都是水凝胶材料。
图1 (a) 高强度耐压缩水凝胶。(b) 高强度自修复水凝胶。
一般情况下，水凝胶材料都非常脆弱。科学家们在水凝胶中加入纳米颗粒或者超分子结构，就可以大大地提高水凝胶的强度和韧性，并且有些水凝胶在被破坏以后，还能像我们的皮肤一样自己愈合（图1）！这样的材料就能够与我们的肌肉组织媲美了！
当环境条件发生改变时，响应型水凝胶的体积、形状都可能发生变化。科学家们对水凝胶的微观结构进行设计，巧妙地利用水凝胶的响应特性，实现了仿生驱动。例如，将水凝胶设计成爪子的形状，在温度、离子浓度或酸碱度改变时，爪子就能够握住、抓起目标物体，并且将它们移到指定位置并释放（视频1）。这种功能，就类似于建筑工地上的起重机一样。当然，目前水凝胶仿生爪还只能抓取一些比较小的轻的物体。要执行比较复杂的动作，还需要科学家们继续努力，将水凝胶锻炼成“大力士”。
视频1 温度升高的时候，水凝胶“爪”发生弯曲，做出“抓取”的动作，轻轻抓起物体
目前，水凝胶驱动器的作动速度还比较慢，也不够灵活。主要原因在于这些“果冻”不能像肌肉一样储存能量，能量都在缓慢的形变过程中释放掉了。
视频2 会跳跃的水凝胶
为了解决这个问题，中科院宁波材料所的科学家们发明了一个巧妙的办法。他们设计了一个棘齿形阻滞机构，利用水凝胶与金属材料之间的黏附作用，临时阻碍水凝胶的能量释放。在环境（如温度）刺激作用下，凝胶倾向于发生形变，在阻滞机构的帮助下，不断积累能量（视频2）。当能量积累到一定程度，足以克服障碍时，凝胶内积累的能量在瞬间释放出来，这个“果冻”就像跳远运动员一样，纵身一跃。这个跳跃的动作，在0.9秒以内就可以完成，比传统的水凝胶驱动快了几个数量级。
研究发现，凝胶的跳跃高度、方向、距离等等都可以通过凝胶结构、凝胶形状、棘齿结构等因素来“定制”。凝胶的这种本领，为人们研究开发新型人工肌肉，发展新型驱动模式提供了新的思路。
有朝一日，这样的“果冻”也许能够被用在智能机器人上，不仅手感类似生物组织，连驱动模式都可以模仿人的肌肉组织。
作者:付俊
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