Nature Communications发表华中科大推出新型无束缚软体推进器

自然界的生物体，历经亿万年的进化演变，以其独特的结构和机制，向我们展现了其令人赞叹的生存智慧。这些生命体的精细构造、高效性能和出众的适应力，源源不断地为机器人技术的发展提供灵感，推动着机器人向更高性能、更精密操作和更强的环境适应性进化。在软机器人技术领域，这种由自然界启发的创新尤为显著。

与自然界中的生物体相比，软机器人在运动和交互过程中往往表现出较差的动力性能和敏捷性，对于无束缚的昆虫尺度软体机器人来说，这一点尤为突出。无论是高性能驱动机制、敏捷控制策略还是协作功能的协同设计，都受到其非常有限尺寸的严重限制为应对这些技术挑战，研究人员一直在努力尝试实现更好的运动可控性和动力性能。

在软微型机器人领域，有不少研究人员曾进行过提高软机器人的运动可控性和动力学性能的尝试，并研发出诸如基于催化人工肌肉的昆虫尺度机器人、磁性毫米机器人、基于马拉戈尼效应的微机器人等机器人成果，实现了对软微型机器人运动形式和能力范围的有效扩展，但遗憾的是，软微型机器人的可控性和动力性能仍无法与自然生物相比较。

前不久，来自华中科技大学机械学院丁汉院士-吴志刚教授软体机智能研究团队的研究人员再次对此项难题发起挑战。受启发于罗夫甲虫快速摆动腹部、用于分泌物运输的导管和身体刚毛的身体结构系统启发，并结合磁感应快速变换姿态，该研究团队提出了一种可在水上推进的快速、敏捷、无束缚毫米尺度软体推进器Uni-SoPros。

图1. 受罗夫甲虫启发研发的快速、灵活、不受束缚的昆虫级软推进器 (Uni-SoPros)

该推进器体长（BL）3.6毫米，实现了惊人的201倍体长每秒（BL/s）的速度和8,372倍体长每平方秒（BL/s²）的加速度。其综合动力性能远超先前同尺度推进器的几个数量级。

图2.

近日，该研究成果的相关论文以为“Stenus-inspired, swift, and agile untethered insect-scale soft propulsors”题发表在《Nature Communications》杂志上。博士生柯星星为第一作者，博士生雍昊臣、硕士生徐富康共同作者。

接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！

▍推进器的生物模拟和综合协同设计

通过无数轮的进化和自然选择，生物体发展出了优雅而高效的跨尺度结构，这些结构赋予了它们在环境中卓越的适应能力和运动学表现。以罗夫甲虫为例，这种昆虫在水面上的高速机动性是通过其独特的身体结构和机制实现的，使其能够有效地逃避捕食者。

受罗夫甲虫的的生物结构和机制启发，研究人员设计了一种新型推进器——Uni-SoPros。这一设计不仅在宏观尺度上模仿了罗夫甲虫的柔性可弯曲腹部，还在微观和介观尺度上借鉴了其结构特点。

在宏观尺度上，Uni-SoPros采用了磁性材料，通过模仿罗夫甲虫的摆动腹部，实现了沿主轴线的运动。利用磁操纵技术，研究人员可以高度动态地操纵推进器的运动，使其能够按需产生推进力。

图3. 从罗夫甲虫中获得的系统生物灵感，以及软体推进器进行详细表征的共同设计

在微观尺度上，研究人员观察到罗夫甲虫的腺体系统中有无数微小的传导管道，用于运输表面活性剂。受到这一特点的启发，研究人员在Uni-SoPros中引入了类似的表面活性剂细分运输机制，通过在尾部尖端插入对齐的纤维来优化输送。

在介观尺度上，为了模仿罗夫甲虫的表面结构，研究人员在Uni-SoPros的主体表面引入了微结构形态，以获得超疏水皮肤，从而避免下沉并保证其在水面的稳定性。

为了提高实时操控性，研究人员还为Uni-SoPros集成了一对磁性转向芯片，用于快速而稳定的转向控制。此外，Uni-SoPros还采用了自然解耦的设计和操纵模式，以实现推进和转向控制的独立操作。

为追求推进器Uni-SoPros性能的极致优化与功能完善，研究团队还对相关的仿生结构进行了彻底调查与特性分析。这一过程为整个系统的协同设计提供了宝贵的指导原则。

研究人员深入研究了所使用磁性颗粒粉末和磁化薄膜的基本特性，确立了这些构建材料的性能基准，并对推进器Uni-SoPros的磁控尾巴、驱动力、主体表面等进行了重点分析与研究。

在磁控尾巴方面，研究人员分析了磁性颗粒含量及磁尾尺寸如何影响其弯曲行为，进而作用于燃料输送和水面脱离动作。结果表明，高磁性颗粒含量的磁尾表现出更优秀的弯曲行为，有效实现燃料至水面的输送，并在需要时切断燃料供应。研究人员还探讨了不同姿态和磁尾水下长度对转向行为的影响（见补充图 7），发现过度浸水的磁尾会削弱转向能力。因此，选择适宜的磁化尾部，考虑其磁性颗粒含量、尾部尺寸以及尾部浸没长度对于提升机动性至关重要。

图4. 磁粒子和磁性薄膜的磁化及响应特性表征

图5. 不同姿态和浸没磁尾长度对其转向行为的影响

在驱动力方面，维持必要的表面张力梯度对马兰戈尼推进极为关键。通过精确调节表面活性剂至水面的输送量，研究人员能阻止快速的表面活性扩散，保持必要的张力梯度。通过模拟罗夫甲虫的天然机制，研究人员在人造尾尖引入了聚丙烯微纤维，实现了燃料的均匀分布与温和的马兰戈尼流动。此外，通过比较有无纤维的燃料直接接触水的情况，研究人员也验证了纤维插入对局部表面张力调节能力的改善，从而增强了运动的可控性和一致性。

图6. 受接收/传导管道启发，在Uni-SoPro的尾部尖端插入纤维

图7. 带有/不带有插入纤维的磁尾燃料（表面活性剂，NOP）释放比较

图8. 带有/不带有插入纤维的磁尾局部表面张力调节能力的表征

在主体表面方面，研究人员对行甲虫身上的刚毛进行了模仿。通过用激光表面处理技术在主体表面创造了超疏水微结构形态，研究人员确保了Uni-SoPros在水面的稳定性。同时，通过集成磁力转向芯片（SC），研究人员也提高了Uni-SoPros的实时操控性，实现了快速而稳定的转向控制。

图9. 表面疏水化处理及其表征

图10. 制作工艺

通过对仿生结构的全面调查和表征，并在此基础上进行系统的协同设计改进，Uni-SoPros推进器不仅在运动性能上接近自然界的罗夫甲虫，而且展示出了卓越的敏捷行为。

▍推进器的运动性能测试

经过全面的仿生研究和精心设计的Uni-SoPros推进器，不仅模仿了自然界中罗夫甲虫的优雅机动性，更在实验测试中展现出了卓越的运动性能。这款推进器能在单一的三维磁场触发下，实现了生物级别甚至超越生物的运动学表现。

图11. 运动学性能、功率优化管理和轨迹编程

在对Uni-SoPros进行运动特性的分析过程中，研究人员提取了特征尺寸3.6毫米的Uni-SoPros的实时速度和加速度数据。结果显示，该推进器峰值加速度能够在短时间内（-20 ms）迅速达到-30 m/s^2或8,372 BL/s^2，并在约250毫秒后实现最大运动速度-725 mm/s或-202 BL/s。

同时，在制动测试中，Uni-SoPros也表现出了优异的减速性能，减速度达到了-5,010 BL/s^2。这些测试不仅证明了Uni-SoPros的强大动力，还显示了其在高速运动中的出色控制能力。

图12. 在尺度效应表征和制动测试中，Uni-SoPros的详细速度和加速度曲线

进一步，研究人员还实验考察了外部负载对Uni-SoPros性能的影响。测试结果显示，即使在承受1.5倍自重（-12mg）的负载下，Uni-SoPros的性能亦与无负载时相似，仅峰值速度从-230 mm/s降低至-200 mm/s，加速度略有减缓。这一结果证明了Uni-SoPros在实际应用中具备良好的负载能力和稳定性。

图13. Uni-SoPros的负载能力表征

为了深入了解Uni-SoPros的运动学特性，研究人员还对一系列不同尺寸的Uni-SoPros进行了研究，并观察了它们在运动时的尺度效应。观察结果显示，随着尺寸的增加，峰值速度呈现出单调下降的趋势，尤其是在较小的尺寸范围内。这一发现为研究人在不同规模上优化Uni-SoPros的性能和设计提供了宝贵指导意见。

图14. 各种Uni-SoPros的设计和制作参数

图15. 各尺寸Uni-SoPros在水平姿态下峰值速度时的模拟流速映射

图16. 尺寸分析

此前研究表明，经过改良的输送策略，能够有效地减缓推进速度的衰减，进而延长推进过程中预期轨迹的维持时间。基于此，研究人员对配备与未配备纤维插入的Uni-SoPros也进行了对比分析，并在相同的磁力触发下进行了10个单向循环推进的比较测试。测试结果表明，插入纤维的Uni-SoPros能够显著减缓速度衰减，并在测试期间保持几乎恒定的速度趋势。这一创新设计灵感来源于甲虫腺系统中传导管道的结构，它通过精确调节流体输送，最大限度地减少了速度下降，简化了连续触发过程中的轨迹规划。

图17. 通过数值模拟比较不同策略下的表面活性剂释放

最后，展示了特征尺寸为5.4毫米的Uni-SoPros利用可变外部磁场实现了复杂的轨迹规划。如图3f和补充影片5所示，Uni-SoPros能够精准执行包含多个尖锐转折点的鸽子图案轨迹，展现了其按需快速减速、转向和加速的能力。

得益于精确的燃料释放机制及其带来的启动和制动的精准操控，加之灵活的转向能力，Uni-SoPros推进器展现了卓越的轨迹规划性能。特种尺寸为5.4毫米的Uni-SoPros能够利用可变的外部磁场进行预先编程，以执行一个包含多个急转弯点的复杂鸽子图案轨迹，展现其按需快速减速、转向和加速的能力。

经过以上实验测试，Uni-SoPros推进器不仅在仿生结构上得到了深入研究，而且在运动性能方面经过严格的实验验证，显示出了卓越的动力学性能和精确的控制能力。

参考文章：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45997-3#Sec21