非接触电场+纳米碳材料，e-MG解锁软体机器人无线可控变形新路径

软体变形机器人，凭借材料柔软性和无线驱动下复杂可逆的形变能力，在工业、医疗与可穿戴设备等领域展现出应用潜力。

目前，磁场驱动是研究较广的远程控制方式，可实现多模态运动与多种变形，但依赖笨重、高功耗的控制系统。光、热、声等驱动方式也相继被验证，但在响应速度与独立操控方面仍有局限。电场驱动借助轻量电极构建可控电场，为软体机器人变形提供了新思路。传统上常采用水凝胶材料，通过离子迁移引起形变，但存在响应慢、变形模式单一的问题。介电弹性体等材料响应速度快，却通常无法摆脱外部电源或笨重电路。

如何开发能够在非接触式电场刺激下实现可控且多样化变形的响应性软物质，仍是当前面临的关键挑战。

▍提出非接触电场驱动新方案，实现软体机器人无线可控变形

面对上述难题，由英国布里斯托大学和伦敦帝国理工学院组成的研究团队，开发出一种名为“电变形凝胶”（e-MG）的新型响应性软物质，该材料能够在非接触式电场刺激下实现远程、可控且多样化的复杂形变与运动，为解决软体机器人长期以来在无线驱动与精确控制方面的难题提供了新的技术路径。

据悉，e-MG由柔软弹性体基质、介电液体与纳米级碳材料复合构成。其中，均匀分散的纳米碳形成导电网络，在外部电场作用下可促进电荷迁移，是实现高效机电转换的关键。研究团队通过布置在周围的平面或圆柱形电极施加可控电场，利用所形成的非均匀电场诱发介电泳力与静电力的协同作用，从而驱动e-MG在局部或整体尺度上产生拉伸、弯曲、扭转乃至扩散等多种形态变化，并同时实现平移、旋转等多模式运动。

在材料设计与合成阶段，团队系统探索了碳含量对e-MG电学特性与机械性能的影响，明确了实现最优响应性能的材料配比。在驱动机制层面，团队揭示了介电泳与静电力在不同电场条件下的耦合作用原理，为精准控制变形行为提供了理论依据。在系统集成方面，通过优化电极排布与控制逻辑，团队成功实现了e-MG机器人在复杂环境中的连续运动、负载运输以及多单元独立操控，展现出该技术从实验平台走向实际应用的潜力。

与依赖笨重供电系统的传统电磁驱动方式不同，e-MG仅需通过轻量化的电极构造复杂电场，显著降低了系统复杂度和整体体积。相较于需预编程磁化模式的磁性软体机器人，e-MG的变形能力无需在制造过程中预先设定，可通过电场配置实时调整，因而具备更高的任务适应性与行为灵活性。实验中，e-MG机器人展示了包括仿体操运动员的倒立摆动、仿蜗牛的越障行为、仿蛙舌的快速抓取等一系列仿生动作，并在不同二维平面、三维曲面及垂直壁面等多种地形中稳定运动，显示出在工业检测、生物医疗及空间探测等领域的应用前景。

通过材料设计、驱动机制与系统控制三方面的协同创新，该研究构建了一套完整的非接触式电场驱动软体机器人技术方案，为发展下一代具有高适应性、可独立执行任务的软体机器人系统提供了重要基础。

▍进行材料制备与表征实验，验证电变形凝胶高速高力驱动能力

通过在材料制备、性能表征与驱动演示等方面的系列实验，研究团队验证了e-MG在非接触式电场驱动下实现可控形变与复杂运动的能力。

在材料制备方面，研究团队采用硅橡胶弹性体、硅油类介电液体及纳米级炭黑作为原料，通过机械混合、模具成型与固化脱模等工艺，制备出具有不同炭黑含量（0.01–2wt.%）的e-MG样品。炭黑作为导电填料，在复合材料中形成电荷迁移通路，是实现电场响应的关键组分。

为系统评估材料性能，研究团队开展了多项物性测试。电学性能分析表明，随着炭黑含量的增加，e-MG的介电常数与电导率呈现非线性上升趋势，并在0.1–0.5wt.%区间内出现渗透阈值，显示导电网络的形成对电学行为具有关键影响。力学性能测试结果显示，炭黑的引入未显著改变材料的软质特性，所有样品均保持较高的断裂伸长率与稳定的低杨氏模量。

在驱动性能实验中，研究人员构建了以环形-柱状电极为基础的测试平台，对不同配方的e-MG样品在电场作用下的变形行为进行量化分析。实验表明，含0.5wt.%炭黑的e-MG样品在驱动速度与驱动力方面表现最优，其变形响应速度较不含炭黑的样品提升约27倍，同时具备良好的循环稳定性，在万次驱动测试中未出现明显性能衰减。

为进一步展示e-MG的实际应用潜力，团队设计了多类操控场景，包括基于平面电极与圆柱电极的二维运动控制、垂直壁面攀爬、狭窄通道穿越以及多机器人独立并行操控等。这些演示均在空气或绝缘油介质中完成，验证了e-MG在不同介电环境中的适应性与功能多样性。

该系列实验从材料合成、性能表征到系统集成，逐步构建起e-MG软体机器人的技术路径，为其在工业检测、空间作业与生物医学等领域的潜在应用提供了实验依据与方法支持。

参考文章：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202419077