UCLA贺曦敏教授AM：仿生微型软体机器人实现自我持续连续跳跃

在自然界中，昆虫能够从环境中汲取能量，实现长期、连续的跳跃运动，从而穿越复杂地形。受此启发，研制具有类似自主持续运动能力的昆虫尺度（亚克重）机器人，在侦察、灾难恢复、环境监测等领域具有巨大应用潜力。然而，将能量收集、驱动和控制功能高效集成于如此微小的尺度内，并实现长期稳健的自主脉冲式运动，一直是该领域面临的主要挑战。

近期，加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授、Ankur Mehta教授合作成功研制出一种仅重301毫克的光驱动、完全无电子元件的软体机器人。它能够像昆虫一样，仅利用持续的环境光（如日光）实现自主、连续的跳跃。单个机器人在一次测试中完成了188次不间断跳跃，并且在一年内累计跳跃超过800次，性能未有衰减。这一壮举得益于一种名为“自我维持重复翻转”的创新驱动机制，该机制将能量收集、驱动和控制功能全部嵌入机器人的物理结构中。相关论文以“Self-Sustained, Continuous Jumping of a Light-Driven Electronics-Free Insect-Scale Soft Robot”为题，发表在

Advanced Materials

这项成果的核心在于一种被称为“自我维持重复翻转”的独特驱动器。该驱动器主要由光响应液晶弹性体条带、弧形弹性体梁和两片百叶窗构成。LCE条带在光照下发生光热收缩，作为驱动源；弧形梁则引入了机械不稳定性。百叶窗被动地控制光线照射，与LCE-梁复合体的动力学行为耦合，形成了一个基于动态光-材料相互作用的“自遮光”内置反馈回路。当光照加热LCE导致梁“啪”地一声快速翻转向下（突跳失稳），百叶窗随之关闭，遮挡光线使LCE冷却复原，梁又“啪”地一声快速弹回原位。这一循环过程无需任何电子控制，即可实现持续、高速的重复翻转运动。

图1：基于SSRS机制、能连续跳跃的自我维持昆虫尺度机器人。 A) 举例来说，蚱蜢利用从环境中获取的能量进行重复跳跃来移动和克服障碍。 B) 类似地，我们的机器人能够利用恒定光能进行连续跳跃。 C) SSRS主要由一个LCE条带、一个弧形弹性体梁（其两端固定在木框上）和两个百叶窗组成。弧形梁的几何形状由公式1定义。 D) LCE发生可逆的光热驱动。 E) 单稳态LCE/弧形梁复合梁的示意性力-位移图。当LCE的（光）热致收缩力达到临界值Fst时，梁突跳到向下位置，导致能量ΔE（绿色高亮部分）的突然释放。当力减小到低于回弹力Fsb时，梁弹回向上位置。 F) SSRS机制的工作原理图。百叶窗控制LCE对光照的暴露，当与单稳态复合梁结合时，产生了一个由自遮光实现的内置反馈回路，用于循环突跳。 G) 一个SSRS器件在多个周期中，复合弧形梁顶点的代表性位移和温度曲线。 H) 对(G)中一次突跳事件的位移曲线放大图。顶点的最大速度可达约680 mm s−1。突跳事件后观察到梁的振动。

研究人员通过光-热-机械有限元仿真深入探究了突跳过程的动力学。仿真结果与实验观测高度吻合，清晰地展示了在光照下，LCE的收缩导致系统弹性势能积累，达到临界点后通过突跳快速释放并转化为动能的过程。仿真还表明，具有更低相变温度和更大驱动应变的LCE能够释放更大的动能。

图2：突跳屈曲的光-热-机械有限元分析。 A) 一个周期内三个时刻实验与仿真变形情况的并排比较（左：SSRS器件快照，入射光从器件正上方照射；右：FEA得到的沿x方向的应变分布图，未显示边界约束）。 B) 一次突跳事件中，器件顶点测量位移与模拟位移的关联。 C) 实验数据与模拟的梁顶点速度曲线比较，插图中展示了突跳事件的细节放大图。 D) 整个突跳过程中，器件（包括LCE和弧形弹性体梁）弹性势能与动能的演变。

为了优化用于跳跃机器人的驱动器性能，研究团队系统探究了几何参数对单次突跳所释放的“比能量”和“比功率”的影响。实验发现，弧形梁的归一化高度和厚度是关键设计变量。存在一个“单稳态”参数区间，在此区间内驱动器既能发生突跳又能自动弹回，是实现循环跳跃的理想状态。研究表明，通过选择合适的几何参数，该驱动器的比输出功率可达约99 W/kg，与一些采用闩锁机制跳跃的昆虫（如沙漠蝗虫）的功率密度相当。

图3：输入功率和几何参数对释放能量和输出功率的影响。 (A-C) 比释放能量分别作为光强I（d = 1.3 mm， H = 4.0 或 5.0 mm）、归一化高度H（d = 1.3 mm， I = 1020 mW cm−2）和归一化厚度d（H = 4.0 mm， I = 1020 mW cm−2）的函数。 (D-E) 比峰值功率分别作为光强I（d = 1.3 mm， H = 4.0 或 5.0 mm）、归一化高度H（d = 1.3 mm， I = 1020 mW cm−2）和归一化厚度d（H = 4.0 mm， I = 1020 mW cm−2）的函数。误差棒代表三次不同测量值的标准差。H = H/L， d = d/L。(B, C, E, F) 中浅灰色阴影区域的梁未显示突跳行为。

基于上述驱动器，研究者构建了昆虫尺度的跳跃机器人。他们在驱动器底座上巧妙安装了两根碳纤维细丝作为“平衡杆”，构成了一个被动自扶正机构。这一简单设计确保了机器人着陆后能自动恢复直立姿态，为下一次起跳做好准备。在恒定光照下，机器人成功实现了连续、无缆的自主跳跃。通过改变弧形梁的设计（如增加高度），可以诱导非对称的S形突跳模式，从而为跳跃附加水平分量，实现定向移动。

图4：在恒定可见光下的自主、重复跳跃行为。 (A) 基于SSRS机制构建的跳跃机器人示意图。突跳运动提供推动机器人起跳的冲量。 (B) 跳跃机器人的光学图像，由附着在SSRS器件底座上的两个平衡杆组成。 (C) 平衡杆作为被动自扶正机构，在着陆后将机器人推至直立状态。 (D) 带有平衡杆的跳跃者成功着陆。 (E) 没有平衡杆的跳跃者着陆失败。 (F) 跳跃机器人在一系列连续跳跃中的快照和位移曲线。 (G) 图(D)中机器人的起跳过程（H = 4.0 mm, d = 1.3 mm， 光强 I = 928 mW cm−2）。上方为关键图像帧；下方为弧形梁的形状演变。该梁在突跳过程中具有对称的过渡模式，导致如图(D和F)所示的垂直跳跃。 (H) 具有更深梁（H = 5.0 mm， d = 1.3 mm， I = 928 mW cm−2）的机器人起跳过程。该梁显示非对称过渡，改变了起跳角度从而导致定向跳跃(I)。 (J 和 K) 图(H和I)中机器人一系列定向连续跳跃的快照和位移。

这些微型机器人展现出了令人印象深刻的功能性与鲁棒性。它们能够跳过约自身身高1.6倍的障碍物并继续前进。即使短暂承受相当于自身重量约1700倍（500克）的重压，移除重物后其跳跃性能也几乎不受影响。得益于突跳时的高速运动，机器人还具有自清洁能力，能抖落附着在表面的污染物。实验还证明，仅使用菲涅尔透镜聚集的太阳光，机器人就能在户外实现持续的跳跃运动。

图5：跳跃机器人的功能能力。 A) 机器人能够跳过26毫米高的障碍物，并随后继续移动。 B) 在承受了短时间相当于自身重量1700倍（图中标为BW）的负载后，机器人恢复了其定向跳跃。 C) 跳跃机器人具有自清洁能力，由于突跳的高速运动，能将其表面的污染物（特征尺寸：0.2 – 1.0毫米）弹出。此处使用小盐粒代表污染物以便于演示。跳跃方向和高度可能会受到污染物的影响。 D) 在聚集太阳光下连续跳跃的关键图像帧（左）和垂直位移曲线（右）。使用菲涅尔透镜聚集自然阳光，产生一个约15 cm × 15 cm见方、光强约1270 mW cm−2的聚焦光场。

更进一步，研究者展示了该平台的应用潜力。通过在机器人上加装一片湿润的pH试纸作为传感器，并利用反光片调整跳跃方向，他们演示了机器人能够自主跳跃接近模拟的氨气泄漏点，并在移动过程中成功完成气体检测任务，试纸颜色随距离泄漏点变近而发生明显变化。

图6：用于危险气体泄漏检测的跳跃机器人。 (A) 使用我们的昆虫尺度跳跃机器人作为危险气体泄漏检测平台的场景示意图。 (B 和 C) 配备反光片（质量可忽略）和pH传感器（湿润，约8毫克）的跳跃机器人（约315毫克）的示意图和光学图像。反光片可用于操纵起跳的方向和角度。 (D) 定向跳跃机器人的延时图像。在模拟太阳光（1020 mW cm−2）下，机器人向右移动，朝向泄漏位置。在4次跳跃过程中，随着机器人接近氨气泄漏点，pH试纸逐渐由黄变红。 (E 和 F) 跳跃机器人在执行气体检测任务期间的位移。

这项工作通过创新的“自我维持重复翻转”机制，为研制完全自主、能量自给的昆虫尺度软体机器人开辟了一条新路径。它将能量收集、驱动和基于物理的智能控制无缝集成于一个无电子元件的轻量级软结构中，实现了长期、高功率的脉冲式运动。未来，通过集成更丰富的微传感器、探索其他刺激响应材料或更高效的不稳定性结构，这类机器人的性能和应用范围有望得到进一步扩展，最终为实现能在真实复杂环境中长期自主工作的微型机器人集群迈出关键一步。