Бионический гидрогелевый робот с программируемой многофункциональностью на основе мoiré-суперрешетки

Мягкие роботы, которые пролезают туда, куда люди не доберутся

Многие скрытые части нашей техники — от трансформаторов до промышленных трубопроводов — могут перегреваться задолго до того, как кто‑то это заметит. Осмотр этих тесных, извилистых пространств затруднителен для жестких машин и невозможен для человека. В работе представлен крошечный мягкий робот из водосодержащего геля, который передвигается и ощущает окружающее с помощью света, подобно осторожному морскому существу, нащупывающему путь через риф. Такие устройства в будущем могли бы патрулировать труднодоступные места и незаметно искать опасные горячие точки прежде, чем они приведут к авариям.

Актиния как чертёж для дизайна

Исследователи позаимствовали идею у морских актиний, которые прикрепляются и машут щупальцами, исследуя окружение. Их робот, названный похожим на актинию светоприводным гидрогелевым роботом, имеет мягкое основание и несколько вертикальных щупалец. Все тело изготовлено из термочувствительного гидрогеля — желеобразного материала, который сжимается при нагреве и снова расширяется при охлаждении. Подсвечивая разными цветами различные части робота, команда может заставлять основание ползти, а щупальца сгибаться, позволяя машине двигаться и «ощущать» среду без жестких шарниров или традиционных моторов.

Умный материал внутри геля

В основе робота лежит бумажно‑тонкое покрытие и мелкие частицы особого многослойного материала из чёрного фосфора и дисульфида вольфрама. Когда эти два ультратонких кристалла накладываются с небольшим несовпадением, они образуют повторяющуюся структуру, известную как moiré‑суперрешетка. Эта структура меняет поведение электронов и колебаний в материале, делая его особенно эффективным в поглощении ближнего инфракрасного света и преобразовании этой энергии в тепло и электрический ток. Испытания показали, что moiré‑материал быстро и эффективно нагревается под определёнными длинами волн и при освещении даёт сильные электрические сигналы, превосходя каждый из компонентов по отдельности.

Движение на свет и бесконтактное тепловое зондирование

Команда внедрила этот moiré‑материал по всей базе робота и нанесла покрытие на поверхность каждого щупальца. Когда на одну сторону основания падает красный свет, эта область слегка нагревается, из‑за чего гель там сжимается и изгибается. При включении и выключении света этот цикл сгибания и расслабления повторяется, а трение с опорой преобразует его в медленное движение, похожее на движение гусеницы. Разные интенсивности и частоты мигания света регулируют скорость передвижения. Щупальца ведут себя иначе: при облучении ближним инфракрасным светом, похожим на излучение перегретого компонента, они сокращаются вниз. Это движение приводит moiré‑покрытый кончик в контакт с маленьким металлическим электродом, замыкая электрическую цепь и позволяя измерять генерируемый светом ток вне робота.

Поиск горячих точек в стеснённом оборудовании

Чтобы продемонстрировать практическую значимость, исследователи поместили мягкого робота внутрь изогнутой пластиковой трубки, имитирующей трубу трансформатора, заполненную маслом. Управляя основанием с помощью безопасного красного света, они направляли робота по трубке. Когда щупальце проходило мимо искусственной горячей точки, ближне‑инфракрасное излучение вызывало его изгиб и контакт с электродом, посылая чёткий электрический импульс. Робот мог различать нормальные и перегретые участки на практически полезном расстоянии, при этом выдерживая повторные циклы нагрева‑охлаждения с лишь незначительной потерей эффективности. Благодаря мягкости, тонкости и высокой гибкости он может пролезать через изгибы и узкие проходы, которые заблокировали бы жесткие инспекционные инструменты.

Общая рецептура для будущих мягких машин

За пределами этого одного устройства авторы предлагают более общую стратегию проектирования: рассматривать мягкого робота как набор модулей — приводной модуль, превращающий свет в движение; сенсорный модуль, превращающий свет или тепло в сигналы; и гибкое гелевое тело, объединяющее всё вместе. Выбирая разные многослойные двумерные материалы и настраивая их moiré‑паттерны, инженеры смогут подставлять модули, реагирующие на другие цвета света или на иные внешние сигналы, например химические или биомаркеры. Проще говоря, работа показывает, как собрать мягкие машины, управляемые светом, которые одновременно могут двигаться и ощущать с помощью того же встроенного материала, прокладывая путь к бережным, интеллектуальным роботам, следящим за скрытыми уголками нашей инженерной среды.

Цитирование: Zhang, L., Zhang, Y., Li, X. et al. Moiré superlattice-driven bionic hydrogel robot with programmable multifunctionality. Nat Commun 17, 2889 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69611-w

Ключевые слова: мягкая робототехника, гидрогелевый робот, moire-материалы, инфракрасное датирование, обнаружение перегрева