שילוב עיוות צורה ניתן לתכנות והנעה בדלק ממס בחומר רך קומפוזיטי בי־המשכי

חומרים רכים שנעים ומשנים צורה בעצמם

דמיינו רצועה צפה של חומר גמיש שיכולה להתגלגל ולהתיישר כמו מרכז אצטרובל ביום גשום, ואז להחליק על פני בריכה כפי שחלק מסוגי החיפושיות עושים, מונעת רק על ידי מעט דלק נוזלי. המאמר מציג חומר רך וחכם כזה. הוא יכול לשנות את צורתו ולהניע את עצמו על המים ללא חוטים, מנועים או אלקטרוניקה, ומרמז על רובוטים רכים עתידיים, ציפויים וכלים כימיים זעירים שמגיבים בתבונה לסביבתם.

ללמוד מאצטרובלים וחיפושיות מהלכות על המים

בטבע, מערכות חיות משתמשות לעתים קרובות בשני סוגים שונים של תנועה. חלקן, כמו אצטרובלים או עלים רגישים, משנות צורה במקום כשהלחות, המגע או הטמפרטורה משתנים. אחרות, כמו חיפושיות ובקטריות מסוימות, נעות ממקום למקום, לפעמים על ידי שחרור מולקולות פעילות משטח שמושכות אותן לאורך ממס המים. מהנדסים שיחזרו היבטים של כל התנהגות עם חומרים סינתטיים, אך נדיר שמשלבים את שניהם בפלטפורמה אחת. אלסטומרים נוזליים-גבישיים טיפוסיים יכולים להתכופף ולהתכווץ בחום או באור אך אינם מתקשרים היטב עם מים ואינם מייצרים הנעה. הידרוג'לים, לעומת זאת, אוהבים מים ומתנפחים בעוצמה, אך בדרך כלל מתרחבים בכל הכיוונים וחסרים כיווניות מובנית הדרושה להנחיית תנועה או ליצירת כוח נטו.

בניית קומפוזיט רך דו־רשתי

כדי לגשר על הפער הזה, החוקרים תכננו חומר היברידי שנקרא BALCEH, קיצור של קומפוזיט אלסטומר נוזלי-גבישי–הידרוג'ל בי־המשכי. בלבו, BALCEH מערב שתי רשתות רציפות אך משולבות זו בזו: הידרוג'ל הידידותי למים ואלסטומר נוזלי-גבישי שדוחה מים. ההידרוג'ל יוצר שלד נקבובי שיכול לספוג נוזלים שונים, בעוד שהאלסטומר נמתח ומנועל בכיוון מועדף כך שכל הבלוקים הפנימיים מיושרים. הארכיטקטורה הזו מאפשרת גם התנפחות חזקה וגם אלסטיות כיוונית באותו חתיכת חומר. מדידות במיקרוסקופיה, באור תת־אדום, בפיזור רמני ובפיזור קרני־X מאשרות שהרשתות חודרות זו בזו היטב, שהמקטעים הנוזליים־גבישיים מיושרים היטב, ושהקומפוזיט קשיח וגמיש מכנית אך חזק יותר בכיוון היישור.

משטחים מתחלפים ושינויים הפיכים בצורה

הרשתות המשולבות נותנות ל‑BALCEH התנהגות סוג של "מחומשת" סביבתית. מכיוון שההידרוג'ל מעדיף מים והאלסטומר מעדיף שמנים, המשטח המוצג לעולם החיצון יכול להחליף בהתאם לנוזל הסובב. מתחת לפני המים ההידרוג'ל שולט וגורם למשטח לדחות טיפות שמן בעוצמה; מתחת לשמן האלסטומר תופס את ההובלה והמשטח דוחק את המים החוצה. רטיבות אדפטיבית זו, עם דחייה קיצונית של שמן או מים בהתאם לתנאים, עשויה להיות שימושית לסינונים חכמים וציפויים נגד זיהום. יחד עם זאת, שתי הרשתות מושכות זו את זו מבפנים. כש‑BALCEH סופג מים או ממסים פולריים אחרים, ההידרוג'ל מנסה להתנפח, במיוחד לרוחב כיוון היישור של האלסטומר, בעוד האלסטומר מתנגד ואוגר אנרגיה אלסטית. התוצאה היא כיפוף או התיישרות מבוקרת שחוזרת על עצמה במשך מחזורים רבים: רצועות יכולות להיפתח בנוזל ולהתגלגל שוב כשהן מתייבשות, להיתלגל בעקבות לחות, או להתקצר ולהתארך עם שינויים בטמפרטורה, הכל ללא איבוד הצורות שנקבעו מראש.

החלקה מונעת ממס ונתיבים ניתנים לתכנות

מעבר לכיפוף במקום, BALCEH יכול גם לפעול כמנוע זעיר משל עצמו. כשהוא רווי בממס בעל מתח פנים נמוך כגון אתנול ומונח בממשק אוויר–מים, רצועת BALCEH צפה ודולפת לאט את הממס אל המים שמסביבה. בגלל המבנה האניזוטרופי הפנימי, שחרור זה אינו אחיד, ויוצר חוסר שוויון במתחי השטח שמושך את הרצועה—אפקט ידוע בשם הנעה מרנגונית. בניגוד להידרוג'לים פשוטים, שנוטים לשקוע במהירות כשסופגים מים, הרכיב הידרופובי בקומפוזיט שומר על ציפותו, ומאפשר תנועה שיכולה להימשך עשרות דקות. באמצעות שינוי סוג ממס ה"דלק", ההתנדפות שלו והמסיסות שלו במים, הקבוצה מכוונת כמה זמן ובעוצמה הרצועה זזה. חיבור אחד או כמה חלקי BALCEH לצורות מודפסות בתלת־ממד פשוטות הופך אותם לשחיינים רכים שמעגלי התנועה שלהם—מעגליים, ישרים, סיבוביים או חיצוניים מתפתלים—ניתנים לתכנות על ידי הגיאומטריה, בחירת הדלק ואפילו תוספות מתוזמנות של נוזלים אחרים לבריכה.

מרובוטים צפים ועד הפרדה וכימיה חכמים

אותם עקרונות מאפשרים פונקציות נוספות. המחברים מראים כי בדים מצופים ב‑BALCEH יכולים למיין שמן ממים בכוח הכבידה בלבד, כי כל צד של הקומפוזיט מעביר באופן סלקטיבי נוזל אחד וחוסם את השני. בדוגמה נוספת, מפעיל בצורת כוכב מבוסס BALCEH מעביר פיסת תגובה מוצקה דרך סידור שכבות שמן–מים ומשחרר אותה רק כאשר ומקום שמים מפעילים את החומר להיפתח, מה שמדליק תגובה כימית עם לוגיקה מובנית. המופעים הללו ממחישים כיצד שילוב של רשת אלסטית כיוונית ורשת מתנפחת ורגישה מאפשר לחומר רך אחד לחוש את סביבתו ולהמיר את המידע הזה לפעולות מורכבות.

מדוע זה חשוב למכונות רכות עתידיות

עבור קהל לא־מומחה, התוצאה המרכזית היא שהעבודה הזו מאחדת שני סוגי תנועה—שינוי צורה והנעה עצמית—לחומר אחד חסון ונעשה־שימוש. BALCEH מתכופף ומתעוות כשהוא נתקל במים, לחות, חום או ממסים מסוימים, והוא גם יכול להחליק על פני מים מונע רק על ידי כמויות קטנות של נוזלים אורגניים. מכיוון שהתגובה תלויה גם בנוזל הסביבה וגם בכיווניות שנקבעה מראש, ניתן לתכנתו ללכת בדרכים מסוימות, לשאת מטען, להפעיל תגובות או להפריד תערובות ללא אלקטרוניקה או חלקים קשיחים. חיבור בין עיוות לתנועה ברצועה אחת קלה מצביע על כיוון לפיתוח מכשירים רכים וציפויים הפועלים באופן אוטונומי בסביבות רטובות מציאותיות.

ציטוט: Giri, P., Borbora, A., Sarkar, D. et al. Coupling programmable shape morphing and solvent-fueled propulsion in a soft bicontinuous composite. Nat Commun 17, 3638 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69432-x

מילות מפתח: רובוטיקה רכה, חומרים חכמים, קומפוזיטים של הידרוג'ל, הנעה עצמית, רטיבות אדפטיבית