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微型機械人的應用愈來愈廣泛，然而，如何在細小的機械人內打造高效的驅動裝置，增加其活動性能，是業界面對的一大挑戰。香港中文大學（中大）工程學院機械與自動化工程學系的一項研究，受植物「噴瓜」啟發，開創了可以大幅提升微型機械人功率輸出的技術—破裂誘導的功率放大機制（ASEF）。中大並藉此發明了光驅動水凝膠彈射器，無論在功率輸出和運動性能方面，均遠超現存的常規微型工程機械系統。加強功率輸出可以拓闊微型機械人的應用範疇，包括開發可進入人體深層組織採樣的臨床醫學用微型機械人，免卻病人開刀之苦。研究結果已於國際著名的學術期刊《Nature Materials》上發表。

研究團隊受植物啟發 成功突破技術瓶頸 

像昆蟲般大的微型機械人能在細小的空間內做到傳統大型儀器難以執行的任務，例如進入人體採樣。然而，微型機械人受限於體型，能承載的能源與組件非常有限，因此需要新技術讓它們可積累並瞬間釋放能量，以實現大功率輸出。

噴瓜的果肉在生長期間會轉變成黏液，膨脹使果壁受力拉伸，內部壓力不斷積累到臨界點時，果實頂部就會破裂並將種子噴射到遠處。中大研究團隊受到此種子傳播模式啟發，並在浙江大學及美國卡內基梅隆大學團隊給予理論與方法學建議的協助下，開創了破裂誘導的功率放大運動機制，並藉此研發了光驅動水凝膠彈射器。它由高韌度和彈力的水凝膠製成，內部嵌入可進行光熱轉換的石墨烯。當彈射器受到近紅外線照射時，石墨烯會迅速加熱，使水凝膠的水分氣化，以致彈射器的體積不斷膨脹、變形，產生大量的應變能（即物體在變形時累積的能量）。當能量積累至極限時，會撐破彈射器底部，並將累積的能量於0.3毫秒內瞬間轉化為動能釋放。

採用這種新技術，一個直徑僅7毫米、厚3毫米，如鈕扣型電池般大小的水凝膠彈射器，起步速度可達至時速約27公里，加速度（速度隨時間的變化率）達每二次方秒25,000米（m/s²），即重力加速度的2,500倍，而垂直發射距離可接近兩米，即為彈射器長度的643倍。這種新的功率放大技術的運動性能和功率輸出能力均遠超現存的常規微型工程機械系統。

領導研究的中大工程學院機械與自動化工程學系張立教授以射箭解釋新技術的原理，「以射箭為例，當手指拉開弓弦時就會逐漸累積能量，一鬆手便瞬間釋放大量能量。」

他續說，「這技術在設計上不涉及複雜結構，製造過程簡單，對物料要求不高，成本相宜。現時由於運用這技術時彈射器底部會破裂，每個彈射器只能用一次。我們正嘗試改用可『自癒』的水凝膠物料製作，使其可重複使用。」

張教授說：「新技術有望取代現有微型機械人內的驅動部件，大幅增加其功率輸出，使微型機械人在人體內執行支架運載、在腸道等深層組織內採樣及切除組織等任務，讓更多病人受惠。在農業範疇，光驅動水凝膠發射器讓機械人有足夠的驅動和輸出能力，攜帶種子及RFID彈射至遠處，配合在農地設置的RFID讀取設備實現定時供水，彈射器的水凝膠吸收水分並膨脹後，可以釋放裝載的種子，達至自動播種功能。此外，因應新技術的運動能力，它也可能應用於無重力或微重力的環境，在月球或外太空探測中驅動機械人進行任務。」

致謝

本研究得到研究資助局（研資局）、裘槎基金會、醫療機械人創新技術中心、中大—深圳先進技術研究院機器人及智能系統聯合實驗室和中大天石機器人研究所的支持。