浙江大学《自然·通讯》：可折叠小尺度软体电磁机器人

在非结构化野外环境中，多模态运动对动物的适应性至关重要。类比之下，人体胃肠道具有黏弹性黏液、复杂皱襞以及如贲门之类的狭窄开口，多模态运动对小尺度软体机器人执行任务同样不可或缺。然而，现有软体机器人在此类受限环境中常因地形适应性不足，在突变过渡或翻转等姿态变化中功能失效。因此，开发兼具可重构结构和高机动性的软体机器人，成为亟待解决的难题。

浙江大学毛国勇研究员团队研究提出了一种小尺度、紧凑、可折叠且鲁棒的软体电磁机器人（M-SEMR），具备九种运动模式。该机器人采用嵌入液态金属通道的六辐条弹性体本体，在静态磁场下由拉普拉斯力驱动，可在不同运动模式间快速切换（小于0.35秒），实现高速滚动（818毫米/秒，每秒26个身长）、全向爬行、跳跃和游泳。其可折叠设计使占用体积减少79%，从而穿越受限空间。研究者进一步在离散障碍物、黏弹性明胶表面、黏性流体、3D打印胃表面及猪胃环境中验证了其导航能力，为未来生物医学应用提供了通用策略。相关论文以“A foldable small-scale soft electromagnetic robot for multimodal navigation in confined and unstructured environments”为题，发表在Nature Communications上。

设计核心：六辐条软体电磁结构。M-SEMR由六个相同驱动模块组成，模块为嵌入液态金属通道的模制弹性体壳，通过榫卯接头组装，整机仅重3.84克。研究者通过屈曲分析确定模块尺寸为16毫米×14毫米×2毫米，液态金属通道截面为0.5毫米×0.4毫米。模块数量影响滚动性能与可折叠性，最终平衡选择六模块设计。每个模块由方波电流独立驱动，可实现弯曲、扭转、压缩和伸展等变形（图1）。

图1 | M-SEMR的多模态运动与性能。a M-SEMR可紧凑折叠成圆柱形配置以减少占用体积。释放后，它可以在两种姿态之间主动切换。站立姿态支持滚动或三种模式的行走。躺卧姿态支持U驱动、V驱动或三种双模块协调驱动模式的爬行。b M-SEMR与其他已报道多模态运动软体机器人的运动模态比较。c M-SEMR、昆虫、哺乳动物、滚动软体机器人和多模态软体机器人的相对速度与体长关系。

滚动性能：小尺度软体机器人最快纪录。通过顺序驱动模块，M-SEMR滚动速度随驱动频率增加，在60赫兹时达到峰值818毫米/秒（26身长/秒），为小尺度软体机器人中最快滚动速度。但高频下脉冲持续时间短于启动时间，成功率降至10%；研究者采用低频启动加高频驱动的混合策略，将成功率提升至80%，同时保持698毫米/秒的速度。该机器人在不锈钢、硅胶、PMMA、聚氨酯、砂纸和纸等多种基底上均实现超过500毫米/秒的稳定滚动（图2）。

图2 | 滚动M-SEMR的性能。a M-SEMR在20毫秒脉冲电流下的姿态快照。b M-SEMR在不同脉冲持续时间下达到不同状态的时间成本。c M-SEMR在1.5安培方波电流下最大滚动速度与驱动频率的关系。d M-SEMR从初始状态滚动到状态3的成功率与驱动频率的关系。e M-SEMR在一系列60赫兹方波电流随后全局驱动信号下的快照。f M-SEMR质心在连续滚动过程中在各种表面上的轨迹，右侧显示相应的最大速度。

多模态运动：行走、爬行与全向机动。除滚动外，M-SEMR具备三种行走模式（walk-1/2/3），速度分别为16、24.26和23.76毫米/秒，可通过切换驱动模块控制方向。爬行模式基于模块扭转，需躺卧姿态，最大扭转角41°。研究者开发了O-、M-、P-三种双模块驱动策略，实现六方向爬行和原地旋转，最高速度10.51毫米/秒，并成功以开环策略描绘ZJU轨迹（图3）。

图3 | 行走和爬行M-SEMR的表征。M-SEMR采用三种行走策略的位移-时间曲线：（a）walk-1，（b）walk-2和（c）walk-3，站立姿态下突出显示的模块被驱动。d M-SEMR躺卧姿态下模块扭转角对单脉冲宽度的动态响应。三种双模块协调驱动策略：（e）O驱动，（f）M驱动和（g）P驱动。h M-SEMR使用P驱动策略完成ZJU轨迹。

姿态切换：站立与躺卧的自由转换。M-SEMR可在站立与躺卧姿态间主动切换：高频驱动下切断电流，机器人350毫秒内因重力落入躺卧；通过顺序脉冲驱动，300毫秒内重新站立。研究者设计了一项高度受限环境导航任务：机器人先切换躺卧（高度降至16毫米），爬行穿过26毫米通道，再切换站立继续滚动，全程46秒，展示了姿态切换带来的环境适应性。此外，机器人在被压缩至6毫米后仍能完全恢复功能，具有强鲁棒性（图4）。

图4 | M-SEMR的姿态切换与穿越受限空间。a M-SEMR主动姿态切换的步骤。b M-SEMR从躺卧姿态切换到站立姿态期间过渡时间与驱动频率的关系。c 在M-SEMR前进路径上方放置障碍物。d M-SEMR切换到躺卧姿态。e M-SEMR爬行穿过通道。f M-SEMR爬行离开通道指定距离。g M-SEMR切换回站立姿态。h M-SEMR继续滚动。i 鲁棒性测试显示M-SEMR在外部负载下的恢复能力。j M-SEMR在狭窄空间压缩下的运动。

水下与胃肠道应用验证。M-SEMR可折叠成直径14.5毫米的圆柱体，封装于可溶解PVA薄膜中，穿越狭窄开口后自主展开，折叠状态体积仅为展开状态的21%。水下运动模式高度依赖频率：低频（5-10赫兹）下滚动，高频（40赫兹以上）下V驱动。在模拟胃环境的猪胃（离体）实验中，机器人成功展开、穿越复杂胃皱襞并可控释放药物，验证了其在胃肠道应用中的可行性（图5、图6）。

图5 | M-SEMR在水中的释放、运动和功能。a M-SEMR折叠、封装和自主释放的示意图。b 折叠M-SEMR在三个阶段的快照：释放、溶解和运动。c M-SEMR的V驱动、姿态切换和滚动运动。

图6 | M-SEMR在非结构化环境中的运动。a M-SEMR在周期性方形表面上运动的快照。b M-SEMR在黏弹性明胶表面上运动的快照。c M-SEMR在黏性流体中运动的快照。d M-SEMR从水中运动到陆地的快照。e M-SEMR在猪胃（离体）中工作的快照。比例尺为10毫米。

总结与展望。该研究提出的M-SEMR以九种运动模式、最快滚动速度、可折叠设计和高鲁棒性，在小尺度软体机器人中实现了最丰富的运动能力。其六辐条形态和折叠策略为多模态机器人的小型化提供了通用机械方案。尽管当前仍受手工制造、有线供电等限制，但未来通过高精度3D打印和微型控制器开发，该系统有望在药物递送、微创手术和健康监测等体内应用中发挥重要作用。