《Advanced Materials》正封面：电场响应的软体形变机器人

在柔性机器人研究中，如何在不依赖外部线缆或磁场的条件下实现可编程形变，一直是制约其应用化的关键问题。

近日，来自 英国布里斯托大学（University of Bristol）的研究团队，在《Advanced Materials》上发表题为 Electric Field Driven Soft Morphing Matter 的研究，首次提出一种以电场能量直接驱动形态变化的软体材料体系——电致变形凝胶 （e-MG）。

电-机械耦合的新机制

传统软体机器人多依靠磁场或光-热刺激实现变形，其控制装置往往需要复杂的电磁线圈或加热模块，难以同时实现装置轻量化，低能量损耗，机器人快速响应和精准控制。

e-MG 的核心创新在于电场诱导极化应力。研究团队通过在弹性体基质中引入低含量的碳纳米颗粒，使材料形成导电网络。当外加电场施加时，局部电荷重新分布，导电网络极化产生各向异性应力，进而在毫秒尺度内驱动宏观形变。

该体系在 6 kV cm⁻¹ 电场下实现 286 % 的最大应变 与 500 % s⁻¹ 的应变速率。经 10 000 次循环后，机械性能与形变幅度几乎无衰减，显示出稳定的结构可逆性。这一结果说明，电场可以成为高效、非接触的驱动力源，在无需复杂电极装置的情况下完成柔性结构的能量转化。

图1 软体机器人的形变能力展示。a.材料的结构。b.未来太空应用场景。c. 体操机器人。d. 蜗牛机器人。e. 在狭窄通道中运送货物。

多模态变形与仿生展示

通过调控电极几何与场强分布，研究者实现了多种形变模式，包括旋转，伸展、弯曲，扭转、平移及扩散。在一系列实验中，e-MG 展现出丰富的仿生特性：“蜗牛”机器人可跨越缝隙，“体操运动员”可在天花板上摆动，“青蛙舌抓取器”可在 2 s 内完成捕获动作。这些运动完全基于电场梯度产生的力-偶分布，无需磁化或外部线缆连接。

团队进一步实现了多个独立单元在同一电场中的选择性响应，为软体群体机器人与微操控系统提供了可扩展方案。

材料稳定性与环境适应性

研究显示，e-MG 在空气、液体及低压环境中均能稳定工作。其性能在 −20 °C 至 120 °C 范围内保持一致，说明该体系具有较强的热-化学稳定性。这使其具备在太空及特殊工业环境中应用的潜力。

启示与展望

这一研究不仅提出了新的电-机械转化机制，更建立了从场能分布到形态演化的可解析模型。

通过有限元模拟，团队验证了局部电场梯度与应变速率的定量关系，为后续的多尺度设计提供理论依据。

电场驱动机制可以实现以最轻量的方式操控复杂的形态变化，这为软体机器在未来的发展和应用提供的新思路。

来源：材料科学与工程公众号。感谢论文作者团队支持。

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