在微型机器人领域，实现高速、大力的脉冲式弹射运动一直是极具挑战性的目标。自然界中，从真菌的孢子散播到昆虫的捕食，弹射运动普遍存在，它能让生物体在保持自身位置稳定的同时，将物体高速发射出去。对于毫米至厘米尺度的微型机器人而言，若能集成此类弹射功能，将在受限空间内实现高效的远程非接触操作，尤其在需要输出超过1牛顿力的医疗场景（如抓取、夹持、切割、活检和支架部署）中潜力巨大。当前，主流的功率放大策略依赖于“闩锁-弹簧”系统，通过弹性结构储存能量再瞬间释放。然而，基于刚性材料的此类系统存在小型化困难、多组件集成复杂以及在生物医学应用中安全性欠佳等问题；而采用软体材料的策略（如液晶弹性体）虽可实现光控发射，但其固有的能量储存能力有限、释放时间较长，导致动能传递效率低下，弹射性能远不能满足实际应用需求。 针对上述挑战， 香港中文大学 张立教授 、 澳门大学 徐青松教授 、 中国科学院深圳先进技术研究院 徐天添研究员 、浙江大学 潘程枫研究员 合作， 提出了一种全新的动态耦合弹射策略。该策略并非依赖材料或机制的改良，而是通过相位转变驱动的快速形变、弹射物以及基底三者之间的动态相互作用，实现了动量的高效生成与传递 。相关论文以“Dynamic coupling enables impulsive ejection in a hydrogel catapult”为题，发表在Nature Communications上。 研究团队设计了一种双层结构的水凝胶弹射器：上层为掺杂石墨烯的高韧性聚丙烯酸-丙烯酰胺共聚物水凝胶，下层为不含石墨烯的透明水凝胶约束层。弹射物置于上层表面。当近红外光从底部照射时，下层透明水凝胶允许光线通过并被上层石墨烯吸收，产生光热效应，使局部温度在2秒内迅速升至120℃以上，进而诱导水凝胶网络内的水发生液-气相变（图1a）。这一快速相变过程在1.6毫秒内完成，产生剧烈的向上形变，将初始动量传递给弹射物（图1b）。关键的设计在于，下层比上层更厚（厚度比为1:1.2），且弹射器置于刚性基底上，形成强约束以阻挡向下膨胀并引导气流向上，从而确保形变方向朝向弹射物。实验表明，该弹射器可将与自身重量（200毫克）相当的弹射物垂直发射至6.15米高度（图1c），相当于其自身长度的2050倍； 经计算，弹射物的起飞速度高达16.6米/秒，起飞加速度达到1.04×10 4 米/秒²。更令人惊叹的是，该弹射器能够抛射从轻质粉末到重达10克（自重的50倍）的物体，甚至能将200克（自重的1000倍）的重物推倒（图1d），其功率密度超过8.74×10 4 瓦/千克，超越了绝大多数天然和人工微型弹射系统（图1e）。 图1 | 水凝胶弹射器的弹射驱动机制。a 弹射驱动机制示意图。b 来自补充视频1的高速相机图像显示了水凝胶弹射器的弹射过程。c 来自补充视频2的叠加图像显示了近红外光驱动下的弹射高度。插图：图1c中使用的水凝胶弹射器和弹射物的尺寸对比，弹射物质量为203毫克，与弹射器自重（200毫克）相当。d 来自补充视频2的叠加图像显示了质量为10克（即水凝胶弹射器自重的50倍）的弹射物的弹射过程。e 光驱水凝胶弹射器与自然界和工程弹射器的起飞速度和弹射物质量对比。注：所示数据仅限于重量在毫克至克级别的微型生物/工程弹射器。 研究团队对影响弹射性能的关键因素进行了系统分析，揭示了动态耦合的核心作用。首先，基底刚度至关重要：相较于柔性基底（聚二甲基硅氧烷）和无基底（悬空）状态，刚性基底（玻璃）能使弹射器获得更大的形变和更快的动量传递（1.6毫秒 vs. 2.6毫秒）（图2a），因为刚性基底最小化了能量耗散，使反射气流获得更大的向上冲击速度，反映在弹射物的速度曲线上，刚性基底条件下弹射物更快达到峰值速度（图2b）。其次，水凝胶与基底之间的界面粘附力同样关键（图2c）：通过在水凝胶与基底间引入水作为润滑剂以降低粘附力，在不同基底（玻璃、PET、PE）上的弹射高度均显著下降（图2d），证明强粘附力能减少弹射器位移和气流分散，从而提升动能输出。此外，弹射物的重量也呈现出非单调的影响规律：随着弹射物质量增加，相互作用时间延长（从60毫克弹射物的1.0毫秒延长至380毫克弹射物的1.6毫秒），传递的动能先上升后趋于平台（图2e、f），而弹射高度则先增后减，最优弹射质量约为弹射器自重的1至2倍。 图2 | 影响水凝胶弹射器弹射性能的因素。a 水凝胶弹射器在玻璃基底、聚二甲基硅氧烷基底和无基底（悬空）条件下的形变和致动时间对比。注：弹射物质量为380毫克。b 在玻璃、聚二甲基硅氧烷和无基底条件下弹射物在致动期间的速度曲线。c 水凝胶弹射器与基底之间界面粘附力示意图。d 不同基底上有/无水润滑（阻断界面粘附）条件下的弹射高度对比。数据点以均值±标准差（n=4）表示。e 不同

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