斯坦福赵芮可教授团队Materials Today: 基于液晶弹性体-液态金属复合材料的电磁驱动多模态两栖软体机器人

水陆两栖生物通过灵活切换运动模式，在复杂环境中展现出卓越的适应性。受此启发，开发具有多模态运动能力的水陆两栖软体机器人，对实现跨环境作业（如环境监测、灾害救援）具有重要意义。传统两栖软体机器人通常需要独立的复杂驱动结构来分别适应陆地和水下运动，这不仅增加了设计与加工的难度，还限制了其在狭窄封闭环境中的应用。近年来，基于激励响应软材料（如电场、磁场、热、光响应材料）的两栖软体机器人展现出显著优势：其结构简单轻量化、尺寸微型化，并能通过仿生设计在外界激励下实现跨域多模态运动。然而，这类机器人仍存在线缆约束、变形模式受限、流体环境驱动效率低等问题，导致其在极端环境下的灵活性和控制自由度不足。

针对上述问题，斯坦福大学赵芮可教授团队报道了一种基于液晶弹性体-液态金属（Liquid crystal elastomer-Liquid metal, LCE-LM）复合材料和高频电磁场驱动的无线多模态两栖软体机器人。该机器人采用简单的条形结构设计（图1a），可在远程高频磁场驱动下，通过结合可逆弯曲变形（Reversible bending）和刚体运动（Rigid body motion）实现爬行、翻滚、游泳等多模态两栖运动，并能无缝切换水下/水面及水陆环境。这些两栖运动模态是通过两种独特的无线驱动机理来实现（图1b）：1）感应加热驱动可逆弯曲变形，实现爬行（视频1）和翻滚运动，并可以合理利用实现上浮运动（视频2）用于水下/水面环境的切换； 2）洛伦兹力驱动刚体运动，直接推动机器人在水面灵活游动（视频3）。基于上述机理，机器人在水陆混合环境中展现出灵活运动能力，并可完成定向货物运输。相关研究成果以“Electromagnetic-stimulated untethered amphibious soft robot with multimodal locomotion”为题发表在《Materials Today》上。

图1. LCE-LM多模态两栖机器人的结构和驱动原理

视频 1

视频2

视频3

LCE-LM机器人的结构如图1a所示，采用三层设计：下层为通过墨水直写技术打印的LCE层，中间层为喷涂成型的LM层，上层为通过匀胶旋涂工艺制备的非热响应弹性体层。当对LCE-LM机器人施加垂直方向的高频交流磁场时（图1b），LM层会感应产生涡流并因欧姆损耗而发热，导致LCE从向列相转变为各向同性相。这种相变引发材料宏观上的快速收缩，进而驱动多层结构产生可控弯曲变形（图2a）。当在LCE-LM机器人尾部施加高频磁场时，其尾部因感应加热发生弯曲变形。撤去磁场后，随着材料冷却，尾部较高的摩擦阻力会推动机器人身体向前运动（图2b）。通过周期性重复这一驱动过程，机器人可实现连续的直线爬行运动（视频4）。得益于感应加热的高效性和磁场对流体的无损穿透特性，该机器人同样能在水下环境中实现有效爬行运动（视频4）。

图2. LCE-LM机器人的可逆弯曲变形和爬行运动

视频4

翻滚运动相比爬行运动展现出更强的复杂地形适应能力。如图3a所示，通过连续调节驱动磁场线圈的位置，机器人可实现不同部位的交替变形与恢复，从而完成翻滚运动。图3b展示了机器人利用该运动模态成功跨越障碍物的过程（视频5）。

图3. LCE-LM机器人的翻滚运动

视频5

除爬行和翻滚运动外，LCE-LM机器人还可基于可逆弯曲变形原理实现水底至水面的上浮运动。如图4所示，高频磁场驱动下，机器人中间部位发生渐进式弯曲直至部分结构突破水面。当停止加热后，材料恢复过程中产生的表面张力效应，会将机器人其余部分牵引至气-液界面，从而完成水下/水面环境的自主切换（视频2）。

图4. LCE-LM机器人的上浮运动

当高频磁场作用于机器人时，除感应加热效应外，产生的涡流还会与驱动磁场相互作用形成洛伦兹力，该力通过减小机器人所匝链磁通的变化率实现驱动，使机器人获得两种典型的游泳运动模式（视频6），当线圈作用在机器人尾部且二者轴向重合时（图5a），机器人实现水面直线推进（图5b）；当线圈与机器人轴向偏离时（图5c），机器人可以实现水面旋转推进（图5d），机器人所受力/转矩的大小与线圈位置密切相关。实验证明，通过连续调控驱动线圈位置，机器人可在复杂迷宫环境中完成高灵活性的自主游动（视频3）。

图5. LCE-LM机器人的直线游泳运动和转向游泳运动

视频6

基于不同运动模态的驱动原理，LCE-LM两栖机器人在一个水陆混合环境下展示了定向货物运输的能力（视频7）。如图6所示，在远程高频磁场的驱动下，机器人首先带着货物从陆地爬行进入水底（图6b-i），随后上浮来到水面继而推进到水陆交界处（图6b-ii），然后从水中爬出运动到目标位置（图6b-iii），最后利用翻滚运动将货物释放（图6b-iv）。

图6. LCE-LM机器人在水陆混合环境下的多模态运动展示和定向货物运输

视频7

团队提出的LCE-LM两栖软体机器人可在高频磁场激励下实现快速、无线、可编辑的驱动。通过结合热驱动可逆变形与洛伦兹力的驱动机理，该机器人在水陆不同环境中展现出爬行、翻滚、上浮、游泳等多种运动模态，为基于LM或LCE的软体机器人提供了新的设计思路和更广阔的应用前景。

团队介绍

该工作由斯坦福大学软智能材料实验室（Soft Intelligent Materials Laboratory，链接: https://zhaolab.stanford.edu/）完成，论文的主要作者为杨潇、Sophie Leanza和迮弃疾。

赵芮可教授团队近年来通过力学指导的新型复合软材料以及新型结构的结合设计，在智能软材料与器件制备、加工与多功能化取得系列进展，详情见报道：；；；；；；；；）

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125001609

来源：高分子科学前沿

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