許多動植物，特別是小型動植物（捕蠅草），都使用像彈簧和閂鎖那樣的特殊部件，以幫助它們真正快速地移動，比僅具有肌肉的動物要快得多。
盡管膨脹引起的植物系統的快速跳躍屈曲啟發了許多基于跳躍的聚合物凝膠設備的演示，但大多數設備在沒有外部干預的情況下僅限于單個跳躍事件。由于缺乏內部的自我調節機制，在凝膠系統中還沒有獲得像生命一樣的自發性和自我再生性的運動。由于難以以能量和空間高效的方式集成多個組件（即馬達，彈簧，能量存儲和控制），因此在工程系統中很少實現可重復的跳躍運動。
成果簡介
鑒于此，麻省大學Alfred J. Crosby等人通過設計利用瞬態去膨脹過程（常常被忽略的過程）的設備可以克服這些挑戰。這代表了轉變以前方法的開始，在以前的方法中，僅圍繞平衡溶脹和溶脹狀態設計器件。在本文中，研究人員證明了利用瞬態變形可以在最初在結構上是同質的系統中產生重復的自主運動。
普通實驗中的物理學原理
研究人員在一個普通的實驗中發現了物理學原理，該實驗涉及觀察凝膠條的干燥情況。研究人員觀察到，當長而有彈性的凝膠條由于蒸發而失去內部液體時，條會移動。大多數動作都很緩慢，但是每隔一段時間，它們就會加速。
他們選擇交聯的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）和正己烷作為模型材料系統。添加痕量的二氧化鈦納米粒子作為染料以提高可見度。通過切割模壓板制成了一條薄薄的帶條狀PDMS。該條用溶劑完全溶脹，然后置于黑色聚四氟乙烯（PTFE）薄片上。在消脹過程的最初90 s內，材料變形為彎曲的幾何形狀，并以看似隨機的方式連續轉變為不同的形狀。復雜的屈曲過渡包括：平滑、簡單的彎曲變形和突然的、快速的突彈跳變過渡。
圖|重復突彈跳變轉變的膨脹的PDMS帶
圖|條帶轉變演示
機理闡釋
根據先前動力學的研究，必須滿足三個條件才能引起突彈跳變的轉變：
（1）足夠大的橫向約束，
（2）彎曲趨勢要大于壓縮趨勢（即縱向變形）
（3）足夠的過渡力來改變曲率符號。
當溶劑的蒸發速率比內部擴散速率足夠快（擴散受限）時，交聯的PDMS網絡在拐角處的溶脹速度比中心處快，這是因為拐角附近區域的表面積更大，體積更大。如果帶材的厚度足夠小，拐角與中心之間的膨脹應變差足夠大，以致引起帶材的屈曲。對于足夠薄的條帶，彎曲變形優于拉伸變形，因此較小的橫向約束會導致S形屈曲變形。
那么，以自我調節方式再生的過渡力的來源又是什么？
作者認為，曲率引起的表面積差異和相關的溶劑蒸發變化機制被證明與觀察結果一致。本質上，一旦發生局部彎曲，彎曲區域的表面積就會發生局部的、不對稱的變化。在彎曲的帶的凹面上，表面積減小，而凸面表面積增大。盡管這些變化對于細薄的碳帶來說可能很小，但它們導致溶劑蒸發方面的顯著差異。在凹面上，減小的表面積減少了溶劑蒸發并減緩了持續的溶脹。相反，在凸面上，蒸發得到增強并導致更快的去溶脹，因此，更快的收縮達到了屈曲以扭轉局部曲率的臨界閾值。
形狀的影響
從干燥帶上學習了基本的物理原理之后，研究小組嘗試了不同的形狀，以找到最有可能以預期方式發生反應的形狀，并且這種形狀可以重復移動，而無需任何馬達或手即可將其復位。作為此概念的證明，研究人員制備了軸對稱殼結構，該結構可實現最大位移變化。該團隊甚至表明，重新成形的條帶可以完成工作，例如自己爬上樓梯。
圖|扁圓板形成球殼的瞬態過程
圖|彈跳演示
小結
總的來說，科學家發現了如何制造僅靠自身環境中的能量流就可以自我恢復的材料，也說明了材料如何通過利用與環境的相互作用（例如通過蒸發）來產生強大的運動，它們對于設計新的機器人非常重要，尤其是在難以安裝馬達、電池或其他能源的小型機器人上。這項研究可以使未來的軍用機器人能夠擺脫自身的能量。
參考文獻：
Kim, Y., van den Berg, J. & Crosby, A.J. Autonomous snapping and jumping polymer gels. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00909-w
