在微型机器人技术的进步中，实现高速而有力的脉冲弹射运动始终是一个极具挑战性的课题。自然界中的许多生物现象，如真菌的孢子扩散和捕猎昆虫的动作中，弹射行为无处不在，它允许生物在不失去位置的情况下将物体以极高的速度抛射出去。当应用到毫米到厘米尺度的微型机器人时，若能将此类弹射功能加以利用，将使得在狭小空间内实现高效的远程非接触操作成为可能，尤其在医疗场景中需要施加超过1牛顿的力量（例如抓取、夹持、切割、活检和支架设定）时，更展现出巨大的潜力。目前，主流的能量放大方法多依赖于“闩锁-弹簧”机构，这种利用弹性材料储存能量并瞬时释放的方式，虽具一定效果，却在小型化、组件整合复杂性以及在生物医学中的安全性方面存在不足。另一方面，虽有部分软体材料（如液晶弹性体）策略能实现光控发射，但其固有的能量储存能力较差、释放时间较长，导致动能传递效率不高，远不能满足实际需求。

为了解决这些问题，香港中文大学的张立教授、澳门大学的徐青松教授、中国科学院深圳先进技术研究院的徐天添研究员及浙江大学的潘程枫研究员联合提出了一种创新的动态耦合弹射策略。这一策略并不是通过材料或机制的改良实现的，而是通过驱动相位转换引起的快速形变，使弹射体与基底之间产生动态互动，从而高效生成和传递动量。这一研究成果发表在《自然·通讯》的论文中，题为“动态耦合使水凝胶弹射实现冲击发射”。

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，下层则是透明的、不含石墨烯的水凝胶约束层，弹射物被放置在上层表面。当近红外光从底部照射到下层水凝胶时，该层允许光线通过，而上层中的石墨烯则吸收光能，产生光热效应，使局部温度在2秒内迅速升高到120℃以上，诱导水凝胶网络中的水发生液-气相变。该相变过程在1.6毫秒内完成，产生强烈的向上形变，从而将初始的动量传递给弹射物。关键的设计在于，下层的厚度比分部的上层更大（厚度比为1:1.2），同时弹射器被放置在刚性底面上，形成强力约束以阻挡向下的膨胀并将气流引导向上，确保形变方向朝向弹射物。

实验表明，该弹射器可将与其自重相等（200毫克）的弹射物垂直发射至6.15米的高度，相当于其自身长度的2050倍；计算显示，弹射物的起飞速度可达16.6米/秒，起飞加速度达到1.04×10^4米/秒²。这种弹射器的能量输出能力令人大吃一惊，能够将从轻质粉末到重达10克（其自重的50倍）的物体抛射，甚至能将200克（自重的1000倍）的物体推倒，功率密度超过8.74×10^4瓦/千克，超越了绝大多数自然以及人工的微型弹射系统。

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，基底的刚性至关重要：与柔性基底（聚二甲基硅氧烷）和无基底（悬空）条件相比，采用刚性基底（如玻璃）能够使弹射器获得更大的形变和更快的动量传递（1.6毫秒对比2.6毫秒），因为刚性基底最大限度地减少了能量的散失，使得反射的气流获得更高的向上冲击速度。在玻璃基底条件下，弹射物的速度更快地达到了峰值。其次，水凝胶与基底之间的界面粘附力同样具有重要影响：研究发现，在水凝胶与基底间加入水作为润滑剂以降低粘附力后，不同基底上的弹射高度显著下降，这表明强粘附力能减少弹射器的位移并防止气流的散失，从而提升动能的输出。此外，弹射物的重量对性能影响呈现非单调规律，随着弹射物质量的增加，互相作用时间延长，弹射高度先增后减，最佳弹射质量约为弹射器自重的1至2倍。