《Journal of Water Process Engineering》：Hydrogel microrobots for water purification: A bio-inspired review of functional components and mechanisms
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水凝胶微机器人通过多刺激响应材料实现自修复、自主导航及污染物高效去除，在环境治理中展现应用潜力。当前研究在生物启发机制与集体智能方面取得突破，但仍面临规模化生产和复杂环境适应性挑战。
Mahdiyeh Nosratabadi | Seyed Amin Hosseini Kahnooj | Mika Sillanp??
克尔曼沙希德·巴霍纳尔大学冶金工程系，邮政信箱76169-133，克尔曼，伊朗
摘要
本文通过使用比喻的方法介绍和解释了水凝胶微机器人的功能组件。水凝胶微机器人代表了一代新的微尺度机器人系统，它们利用刺激响应性水凝胶的独特性质来展示多种能力，包括定向移动、感知、吸附和降解污染物，以及运输和释放有益离子和消毒剂。将这些微机器人的功能部分与生物体的器官进行比较，可以深入了解其复杂的运作机制，并激发创新设计。基于水凝胶的微机器人结合了材料智能、纳米技术和环境工程，为水污染管理提供了一种前沿的方法。
本文研究了水凝胶微机器人的运动机制、刺激响应设计以及用于去除新兴污染物的先进应用。报道的性能包括：基于MXene的水凝胶微机器人在2分钟内吸附了超过60%的染料污染物，并最终实现了超过90%的去除率；热敏磁性微机器人去除了超过94%的铅（II）和砷；分层结构的水凝胶执行器捕获了94.63%的微塑料；光响应性水凝胶微机器人降解了超过90%的抗生素或有机染料。尽管在可扩展性、复杂基质中的鲁棒性以及实际应用方面仍存在持续挑战，但这些定量成就凸显了水凝胶微机器人作为水净化和环境修复主动平台的变革潜力。
引言
水是维持生命所必需的，但越来越多地受到各种污染物的污染，如工业毒素、农药、农业径流、微塑料、病原体、持久性有机污染物、细菌、染料、石油污染物和重金属。传统的处理技术（如过滤和氯化）虽然有效，但在应对新兴和复杂威胁（如高能耗[1]和污泥产生[2]）方面存在局限性。此外，传统方法对某些新兴污染物往往效果不佳[3],[4]。
通过将响应性水凝胶与磁性、光学和催化组件结合，这些微机器人能够主动导航、感知、捕获和去除水中的污染物，使其成为自主多功能水净化技术的有前景的平台[5]。借鉴生态捕食者策略，现代微机器人结合了选择性识别、适应性运动和群体智能，能够主动寻找、捕获和去除目标物（如污染物、微塑料或生物细胞），从而成为环境修复的有效人工捕食者[9]。
智能微机器人是微米级的结构，能够在具有挑战性的环境中执行复杂操作，使用对环境刺激作出反应的材料。这些微机器人可以在受限和复杂的空间中导航以到达特定目标[6],[7]。这些微机器人的性能依赖于对各种外部刺激和环境变化作出反应的刺激响应材料。刺激响应性水凝胶是最通用的材料之一，它们可以根据温度、光、pH值和磁场等刺激改变形状，从而实现微机器人的运动和功能。关于自修复水凝胶、自主水凝胶执行器[8]和多功能污染去除微机器人的研究共同支持了下一代水凝胶微机器人可以自我修复、感知环境并自主决策[9],[10]，并在复杂环境中的实际水中实现高效净化的愿景[11]。
类似于在受污染的水生生态系统中导航的微观捕食者，本文追踪了基于水凝胶的微机器人的功能演变和操作历程，从生物启发到环境修复。首先从自然捕食者中汲取经验（第2节），将生物感知、运动和捕获能力与当前的水凝胶微机器人进行比较，并识别出关键的性能差距。
接下来，通过将核心组件映射到生物类似物来剖析这种人工生物（第3节），详细说明刺激响应性水凝胶如何发展为多响应性和自修复能力，并承担骨骼、肌肉、神经系统、记忆和消化系统等角色。后续章节反映了捕食者的行为序列：环境感知和刺激耦合的运动（第4节）；污染物捕获、保留和降解（第5节）；可扩展生产的制造策略（第6节）；以及提高修复效率的群体智能和群体行为（第7节）。最后，本文综述了水处理应用（第8节），并总结了在实际环境中部署此类微机器人捕食者的剩余挑战和未来方向（第9节）。
本文系统地将自然捕猎策略映射到水凝胶微机器人的功能组件和操作能力上，借鉴了多刺激响应性水凝胶、体感执行器和生物启发微机器人设计的最新进展。
微机器人与生物系统的比较
自然界的经验推动了众多新兴技术的设计，智能微机器人也不例外。生物系统启发了智能水凝胶微机器人的关键特性，如表1所示，该表比较了水凝胶微机器人与自然捕食者的关键功能能力。尽管取得了快速进展，但在感知范围、运动速度和自主性方面，基于水凝胶的微机器人仍远远落后于自然捕食者。
水凝胶的核心材料特性
水凝胶具有高度水合性、柔软性，类似组织，具有可调的硬度和高伸展性。与硅橡胶（PDMS）或其他弹性聚合物微机器人不同，后者更像橡胶，对水和溶质的渗透性较低[21],[22],[23]。在这些研究中，用于软设备和机器人的水凝胶和有机凝胶通常表现出几kPa到约100–200 kPa的杨氏模量，而广泛用于软机器人的弹性体（PDMS、Ecoflex、基于PI的弹性体）则
刺激感知和响应性运动
水凝胶微机器人检测环境线索，并通过工程材料的响应将其转化为定向运动，借鉴了生物肌肉系统的原理，以实现机器人系统中的精确和可控驱动[56]。在许多设计中，刺激响应性水凝胶作为集成的感知-驱动单元：环境或远程线索调节局部膨胀、形状变化和摩擦，这些通常通过各向异性或双层结构来实现
表面功能化和吸附去除
微机器人的外表面通常涂有特定的功能基团，使它们能够捕获和保留目标污染物（类似于猎物），类似于人类的手抓取物体。在这种类比中，微机器人的“手”是特定的化学基团（例如羟基、亚胺和羧酸），旨在捕获污染物分子。这些表面功能基团可以定制以增强它们与特定污染物的化学相互作用。
水凝胶微机器人的制造
如图3所示，双光子聚合（2PP）已成为制造具有亚微米分辨率和任意3D几何形状的水凝胶微机器人的黄金标准。
该技术使用聚焦度极高的飞秒激光，在焦点处通过非线性双光子吸收引发聚合。通过将激光焦点扫描过光敏聚合物前体溶液，可以制造出复杂的3D结构
群体狩猎：猎手之间的集体智能和通信
许多生物系统通过协调的群体行为提高效率。水凝胶微机器人群体表现出类似的集体智能[197]。水凝胶微机器人系统可以设计用于集体操作，展示协调的集体行为，使其成为水净化应用的有希望的候选者。这些受生物启发的系统表现出自我组织和环境适应性[198]。
这使得复杂功能的形成成为可能。
结论
水凝胶微机器人是智能材料和环境工程领域的创新成果，在水处理应用中表现出高度的响应性。它们能够在复杂的水环境中主动导航，感知、监测、检测和去除污染物。这些能力源自受生物体系统启发的刺激响应性水凝胶，这些生物体系统表现出复杂的行为，如自主行为、自我修复和集体智能，使它们成为有前景的
CRediT作者贡献声明
Mahdiyeh Nosratabadi：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理，概念化。Seyed Amin Hosseini Kahnooj：监督。Mika Sillanp??：撰写——审稿与编辑，项目管理，方法论。
伦理合规性
所有涉及人类参与者的程序均按照机构和/或国家研究委员会的伦理标准以及1964年赫尔辛基宣言及其后续修订案或类似的伦理标准进行。
资金
本研究未得到任何机构或组织的支持。
这项工作没有收到任何资金。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
