近日，廈門大學海洋與地球學院張宇教授團隊在Cell旗下物質科學期刊《Cell Reports Physical Science》發表題為“Bioinspired hydrogel jellyfish with mechanical flexibility and acoustic transparency”的研究論文。該論文報道了仿生水凝膠水母（HABH jellyfish）的相關研究成果，為研發新型仿生水凝膠機器人提供了重要參考。

傳統水下機器人一般由剛性材料制成，其聲阻抗與水不匹配，是強的聲散射體。同時，這些''''''''''''''''''''''''''''''''硬''''''''''''''''''''''''''''''''機器人運動靈活性不高，難以動態應對復雜多變的海洋環境。研究人員發現，聲透明（acoustic transparency）作為一種有效的偽裝方法，廣泛存在于自然界的海洋動物中。例如水母、深海烏賊等擁有高含水量的組織，與水的聲阻抗完全匹配，難以被聲吶探測。

張宇教授與美國麻省理工學院方絢萊教授（現就職于香港大學）合作研制了一種液壓驅動的仿生水凝膠水母（HABH jellyfish），突破了傳統水下機器人易被聲學探測和材料剛性的限制。在該水母中，由水和親水聚合物網絡組成的水凝膠具有接近水的密度和聲速，能夠實現與水近乎完美匹配的聲阻抗，在聲透明器件設計方面具有巨大潛力。

研究團隊比較了水凝膠水母和其他常見水下機器人模型的目標強度（TS），包括由有機硅彈性體（Ecoflex）制成的軟體機器人、纜控水下機器人（ROV）、 自主式水下機器人（AUV） 和 水下滑翔機（Glider）等。結果表明，水凝膠水母的后向散射聲能減少到約1/270，在10kHz至1MHz的聲探測下實現了全向、寬帶的聲透明。此外，水凝膠水母在液壓控制下可以收縮到原來的1/3體長，穿過狹窄孔道，運動靈活。該工作為研發下一代機械柔性和聲透明的仿生水凝膠機器人提供了重要參考。聲透明能夠讓機器人實現聲偽裝或隱身，使其融于背景噪聲中，從而具有不易被探測的運動優勢。此外，柔性機器人機械靈活、也能承受深海高壓。

目前，仿生水凝膠機器人的研究還處于早期階段，未來仍需要解決很多基礎性問題，例如如何集成柔性控制-隱身材料-光聲通訊的復合功能單元、如何實現聲-光-力-電等多物理場的可編程智能調控等等。盡管面臨以上挑戰，相信仿生水凝膠機器人在海洋、生物醫學等領域的智能感知方面有著巨大的應用前景。

團隊介紹

張宇教授領銜的廈門大學海洋仿生聲學與技術實驗室(Marine Bioinspired Acoustics and Technology Laboratory) 長期致力于生物聲學機理、聲學功能材料、仿生技術與應用研究。該論文第一完成單位為廈門大學海洋與地球學院，第一作者為廈門大學博士研究生張金虎，通訊作者為張宇教授和美國麻省理工學院方絢萊教授（現就職于香港大學）。該研究工作獲得國家自然科學基金項目(12074323、42106181)、福建省科技重大專項（2021NZ033016）、面向2035年廣東省海洋產業發展戰略研究項目(2021-GD-2)等聯合資助。

期刊簡介

Cell Reports Physical Science是Cell Press出版集團推出的高影響力綜合期刊，旨在發表物理、化學、能源科學、材料科學以及交叉學科領域中的重大研究進展。

論文來源

Jinhu Zhang, Tianye Zhang, Erqian Dong, Chuang Zhang, Zhonglu Lin, Zhongchang Song, Hongquan Li, Nicholas X. Fang*, and Yu Zhang* (2022). Bioinspired hydrogel jellyfish with mechanical flexibility and acoustic transparency. Cell Reports Physical Science, 101081.

論文鏈接

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00375-7

供稿人：張宇、張金虎

編輯：蘇穎

審核：劉志宇、唐騰鳳