探索磁场力量：智能软机器人的未来之路

软机器人因其灵活性和温和的触感而受到青睐，这使得它们非常适合在脆弱或封闭的空间中执行各种任务，从在实验室中培育幼珊瑚到在化工厂中检查工业管道。然而，在这种系统中实现具身智能，即感知、运动和电源在无缆配置中协同工作，仍然是一个挑战。

柔性材料可以变形和适应，但它们的电源却无法适应。传统电池往往使机器人的身体变得僵硬，快速耗尽，或在压力下降解，这些都使得软机器人被束缚或寿命短暂。

来自新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系和电气与计算机工程系的助理教授吴长生及其团队找到了一种把这个限制变成优势的方法。他们的研究发表在 Science Advances 上，展示了控制软机器人的同样磁场也能提升内部电池的性能。

“磁场通常用于 刺激软机器人的运动，这个过程叫做‘驱动’，但我们意识到它们也可以稳定柔性电池内部的电化学反应，”吴助理教授解释道。“允许驱动和能量管理共享相同的物理原理，让我们能让机器人真正自给自足、高效运作。”

团队设计了灵活的 锌锰二氧化物 (Zn-MnO₂) 电池，这些电池被封装在柔软的硅胶中，并在受曼塔鱼启发的机器人外形内垂直堆叠。重要的是，与传统的横向排列不同，这种垂直集成最大化了空间并保持了机器人的柔韧性。

吴助理教授表示：“我们借鉴了曼塔鱼，因为它的身体正好体现了我们想要实现的目标——运动、感知和能量使用的自然整合。它的形态以高效和紧凑的方式实现了多功能的协同协调，让它成为具身智能的完美生物模型。”

通过测试，研究人员揭示了机器人自身的铁磁致动器产生的磁场稳定了灵活电池的内部化学，降低了树枝晶生长的可能性——这种针状金属沉积物可能导致短路——并在反复受压和弯曲的情况下保持能量输出。在磁场增强下，电池在经过200个循环后保留了57.3%的容量，几乎是未增强样品的两倍。

“经过进一步研究，我们揭示了这种增强的工作原理。磁场产生的洛伦兹力作用于电解液中的移动离子，并在电镀过程中重新定向锌离子的轨迹，形成更均匀的离子流，促进阳极上均匀的锌沉积，并有效地抑制树枝晶的生长。

“同时，磁场使锰氧化物晶格内的电子自旋对齐，增强原子间的结合力并防止在充放电过程中晶体降解，”小小补充道，他是吴博士团队的博士生，也是该出版物的共同第一作者。

“这种在完全柔性形式下实现的双重磁电化学稳定性，为在复杂多变的环境中运行的软机器人提供耐用的车载电源系统，迈出了令人兴奋的一步。”

体现智能的行动

为了演示这一概念，团队构建了一种磁驱动的魔鬼鱼机器人，配备了柔性电池、软磁弹性体驱动器和轻量级混合电路，用于传感和无线通信。机器人的鳍在外部磁场的作用下拍动，这些磁场由线圈或电磁铁阵列产生，使其能够稳定运动并适应不同的水面。

果然，驱动和引导机器人的同一磁场也增强了它的能量稳定性——确认了研究人员将运动控制与电源管理相结合的设想。机器人可以执行基本的游泳动作，如线性推进、90度转弯和复杂轨迹，同时将实时数据传输到计算机，以便在数字双胞胎环境中可视化它的运动。

在这种设置下，机器人展现了自主决策的能力。例如，当它遇到障碍物时，机载惯性传感器检测到加速度的突然变化，这使得控制系统调整方向并重新规划路线。机器人通过姿态调整成功地穿越狭窄通道，并在面对无法通行的障碍物时进行掉头。

在扰动测试中，反馈算法迅速纠正了由外部力量（如波浪或物理接触）引起的偏航、俯仰和滚转角度的偏差值，保持了稳定的轨迹控制。集成的温度传感器使环境监测成为可能，能够绘制水域中的热梯度。

吴助理教授表示：“在机器人的身体上垂直整合驱动、传感和电源，使我们能够最大化功能区域，而不牺牲机器人的‘柔软性’。这种设计使机器人能够实时移动、感知和响应其环境。”

展望未来，研究人员计划通过整合微型传感器（用于周围感知的超声波传感器或用于水质监测的化学探测器）来扩展机器人的感知能力。他们还在探索磁性增强如何改善其他电池化学类型（如锂离子电池）或其他电池形式（如可穿戴电池纤维），以提高能量密度和使用耐久性。

“我们的愿景是让软机器人能够在复杂或难以到达的空间中自主思考和行动——无论是检查管道、监测海洋栖息地，还是在手术室支持医疗干预，”吴助理教授补充道。

“通过一些创造性和批判性的思考，探讨能量和智能如何融入身体，我们可以使软机器人更接近自然的设计——就像优雅的海洋巨兽——蝠鲼。”

了解更多信息： Xiaosa Li 等，磁场增强的垂直集成使无缆软机器人具备了具身智能，科学进展（2025）。 DOI: 10.1126/sciadv.adv9572