吉林大学/南开大学《自然·通讯》：仅重50毫克！仿生“毛毛虫”与“蝴蝶”机器人

在软体机器人领域，如何制造兼具小尺寸、简单结构、低能耗和多功能性的仿生驱动器一直是一项重大挑战。传统微型机器人通常需要复杂的传动结构，这不仅限制了它们的进一步微型化，也影响了机械鲁棒性和能量消耗。受自然界小型生物运动方式的启发，科学家们一直在寻找能够集成驱动与传动功能、同时支持多种运动模式的单一材料解决方案。

近日，吉林大学张云鹤教授、南开大学马儒军教授和德国DESY同步辐射中心Xu Wenhan博士合作，开发出一种基于弛豫铁电聚合物纳米复合材料的仿生驱动器。这种仅重约50毫克的单层纳米复合材料通过引入聚合物点并利用梯度分布结构，实现了14.4%的巨大驱动应变和1.92 J cm⁻³的输出机械能密度。基于这一材料，研究团队成功制造出能够模仿毛毛虫爬行和蝴蝶飞行的昆虫尺寸机器人，其能耗仅为3-8 mW，比现有同尺寸设备低一个数量级。相关论文以“Biomimetic actuator crafted from a relaxor ferroelectric polymer nanocomposite”为题，发表在

Nature Communications

研究团队首先通过水热交联法制备了聚合物点，将其与P(VDF-TrFE-CFE)三元聚合物均匀混合，然后采用梯度升温工艺（60-120°C）制备复合薄膜。图1a展示了这一制备过程，通过控制溶剂挥发速率，实现了全反式构象在复合膜中的梯度分布。聚合物点表面富含氢键官能团，与聚合物链中的氟原子形成氢键相互作用（图1b），显著增加了全反式构象的比例（图1c）。在42 MV m⁻¹电场下，这种梯度复合膜能够直接折叠在一起，而纯聚合物膜仅发生微小变形（图1d）。通过优化聚合物点含量，研究发现0.5 wt%掺杂量的复合膜在100 MV m⁻¹电场下达到最高应变（图1e）。红外光谱证实了聚合物点中酰胺官能团的存在（图1f），而复合膜中N-H弯曲振动峰的位移则证实了氢键的形成（图1g）。

图1 梯度分布设计和氢键增强的全反式构象 (a) 三元聚合物/聚合物点和三元聚合物/聚合物点-G的制备过程。(b) 三元聚合物与聚合物点之间的相互作用机制。(c) 全反式构象梯度分布复合膜的截面图。(d) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物点-G在施加42 MV m⁻¹电场前后的对比。(e) 不同聚合物点含量的P(VDF-TrFE-CFE)在1 Hz、50和100 MV m⁻¹单极电场下的驱动应变。(f) 聚合物点的红外光谱。(g) 不同聚合物点含量的三元聚合物的红外光谱。误差棒对应三次独立测量的标准差。

为了深入理解结构机制，研究团队对均匀分布全反式构象的薄膜进行了系统表征。X射线衍射显示，引入聚合物点后复合材料的(110/200)反射峰向高角度移动（图2a），表明链间距离减小。红外光谱证实聚合物点的引入增加了全反式构象的含量（图2b）。通过原子力显微镜-红外光谱技术，研究团队首次直观地观察到纳米复合材料的极性网络结构（图2c），而纯聚合物中则缺乏这种极性网络（图2d）。局部红外光谱进一步证实聚合物点确实诱导了三元聚合物中全反式构象的形成（图2e和2f）。

图2 具有均匀分布全反式构象的三元聚合物和三元聚合物/聚合物点复合膜的结构分析 (a) 三元聚合物和三元聚合物/聚合物点纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）的X射线衍射图。(b) 不同聚合物点含量的三元聚合物的红外光谱。(c) 三元聚合物/聚合物点纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(d) 三元聚合物中极性相分布的原子力显微镜-红外光谱表征。(e) 三元聚合物/聚合物点纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(f) 三元聚合物中标定位置的局部红外光谱。

梯度分布结构是实现优异驱动性能的关键。图3a和3b的红外光谱和掠入射XRD显示，全反式构象集中在复合膜的下表面。原子力显微镜-红外光谱对截面的空间化学分析（图3c-3f）清晰展示了从底部到顶部全反式构象逐渐减少的梯度变化过程。高分辨透射电镜进一步证实，复合膜下层（图3g-3h）比上层（图3i-3j）具有更多的全反式构象。这种梯度结构使单层聚合物膜能够像传统的单压电晶片器件一样在电场下产生弯曲变形。在100 MV m⁻¹电场下，梯度复合膜的厚度应变达到14.4%（1 Hz），比纯聚合物膜提高约330-350%（图3k）。与其他无机、有机和复合材料相比，该材料表现出最大的驱动性能（图3l）。复合材料的电致伸缩系数和机电耦合因子均显著优于纯聚合物，机械能密度达到1.92 J cm⁻³，接近铁电陶瓷的水平。

图3 具有全反式构象梯度分布的三元聚合物和三元聚合物/聚合物点复合膜的结构分析和电致伸缩性能 (a) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物点-G纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）上表面和下表面的红外光谱。(b) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物点-G纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）上表面和下表面的XRD图。(c) 三元聚合物/聚合物点-G纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(d) 三元聚合物-G中极性相分布的原子力显微镜-红外光谱表征。(e) 三元聚合物/聚合物点-G纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）和(f) 三元聚合物-G中标定位置的局部红外光谱。三元聚合物/聚合物点-G纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）的(g)下层和(i)上层的高分辨透射电镜图像。(h) g和(j) i中所选区域的快速傅里叶变换。(k) 三元聚合物-G和三元聚合物/聚合物点-G纳米复合材料（cPDs = 0.5 wt%）在1 Hz单极电场下的驱动应变与电场强度的关系。(l) 各种材料在最大应变|Smax|方面的机电性能比较。P(VDF-TrFE-CFE-FA)，其中FA表示氟代炔烃；P(VDF-TrFE-CTFE)，其中CTFE表示三氟氯乙烯；辐照P(VDF-TrFE)；P(VDF-TrFE)/CuPc；PZN-PT；PZT。误差棒对应三次独立测量的标准差。

基于这种梯度结构复合材料的优异性能，研究团队设计制造了两种昆虫尺寸的仿生驱动器（图4a）。毛毛虫爬行驱动器采用了头尾尖锐、腹部略宽的设计，在42 MV m⁻¹和2 Hz电场下能以4.5 cm s⁻¹的速度稳定爬行（图4b），单周期能耗仅为9.04×10⁻⁴ J。蝴蝶飞行驱动器采用流线型头尾设计，电极涂覆在材料中部，在8 Hz和42 MV m⁻¹电场下实现翅膀拍打，离地高度达到2-4 mm（图4c），单周期能耗仅为4.99×10⁻⁴ J。这两种驱动器分别重55.4 mg和44.8 mg，有效电极区域能够承载自身重量20倍的负载。与现有电驱动软体驱动器相比（图4d），本研究开发的驱动器能耗极低（3.62 mW和7.98 mW），展现了卓越的能量效率和实用潜力。

图4 毛毛虫到蝴蝶仿生系统的驱动机制 (a) 仿生毛毛虫驱动器的爬行机制和仿生蝴蝶驱动器的飞行机制示意图。(b) 仿生毛毛虫驱动器的爬行过程和(c) 仿生蝴蝶驱动器的起飞过程的延时摄影。(d) 本工作中的两种驱动器与文献中其他工作的输入功率比较。上述驱动器的施加电场为42 MV m⁻¹。

这项研究通过创新的梯度结构设计和氢键界面工程，成功开发出一种兼具高驱动应变、高机械能密度和低能耗的单层纳米复合材料。该材料不仅实现了仿生多模态运动，而且其轻量化、低能耗的特性为昆虫尺寸机器人的发展开辟了新途径。研究团队指出，虽然目前仍需要约1.5 kV的高驱动电压，但未来通过制备更薄的薄膜或开发多层共制造技术，有望将驱动电压降低到更实用的水平，同时保持低质量和低功耗的优势。这一突破性成果为真正仿生软体机器人的未来发展奠定了基础。