不到0.2克！全聚合物微型飞行机器人，被拍扁后还能接着飞，登上Science Robotics！

不到0.2克！全聚合物微型飞行机器人实现无辅助起飞，拍打重压后仍能恢复飞行

飞行昆虫凭借低惯性和弹性翅膀、外骨骼与肌肉，能够敏捷飞行并承受撞击与压缩，这启发了用于监视、灾难响应和环境监测的微型飞行器研发。然而，重量小于1克的扑翼平台仍因依赖刚性翅膀、传动或致动器而脆弱——这类结构会集中受力，在冲击或压缩下容易失效。无传动的软致动器难以同时实现高功率密度、大行程和高频响应，而气动高效的翅膀设计又往往缺乏承受压缩载荷所需的机械韧性。如何兼顾二者，成为亚克级飞行器走向实用化的关键难题。

加州大学洛杉矶分校裴启兵教授、加州大学戴维斯分校Yan Wenzhong教授合作，报道了一种重185毫克、具有韧性的全聚合物飞行机器人（APFR），由电致伸缩弯曲致动器直接驱动锥形柔顺翅膀，无需传动。该致动器功率密度达1600瓦/千克，在110赫兹下弯曲角达136°，使机器人实现3.0的升重比和30赫兹下8.3毫牛/瓦的升功比。机器人实现无辅助起飞，平均上升速度40厘米/秒，并能在被苍蝇拍拍打或被重物压扁后恢复飞行。相关论文以“Takeoff of an all-polymer micro aerial flying robot”为题，发表在Science Robotics上。

结构设计与升力机制：APFR的核心是一个由P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物薄膜与聚酰亚胺背衬组成的弯曲双层致动器，两侧直接连接两个由10微米厚PET片材折叠而成的锥形翅膀（图1a、图1b）。为桥接致动器与翅膀之间的刚度失配，连接处添加了增强件，形成刚度梯度以协调变形；致动器中心附有较硬但柔韧的背骨条，抑制正交应变并强制两侧对称变形。整个系统不含任何传动部件，所有材料均为软聚合物，并表现出抗弯曲和抗扭转的柔韧性（图1e）。其升力机制在于：施加电场时致动器向上弯曲，气动阻力减小翅膀锥角，产生恢复冲程；电压关闭后系统释放弹性能量回弹，翅膀重新展开，锥形结构帮助维持形状以产生较大阻力的动力冲程，最终形成净向上升力（图1c、图1d）。

图1. APFR的结构与升力机制。（A）APFR照片。翅膀连接在致动器上，连接处得到增强。系绳在背骨边缘连接到致动器，用于板外供电。图中比例尺为1厘米。（B）APFR横截面示意图。示意图展示了致动器-翅膀系统的层结构。采用50%占空比的方波作为电刺激。（C）APFR在静止（i）、弯曲（ii）和扭转（iii）条件下的照片。图中比例尺为1厘米。示意图未按比例绘制。翅膀结构上的黑线及设备上任何其他黑线是引导制造的标记痕迹。

致动器性能与动态特性：研究团队通过优化溶剂与退火工艺，采用DMF溶液浇铸并经117°C退火的薄膜表现出最大的静态弯曲角和阻塞力（图2c、图2d），其红外光谱在605/614、772和800 cm⁻¹处呈现最突出的可切换偶极峰，高结晶度还带来195 MPa的杨氏模量，有利于高频扑动。动态测试表明，3千伏驱动时致动器在120赫兹下达到最大弯曲角102°，与模型预测的自然振荡频率吻合；电压升至4千伏时，峰值弯曲角增至136°，共振频率降至110赫兹（图3b）。在4千伏和110赫兹下，致动器能量密度和功率密度分别达14.6焦/千克和1600瓦/千克（图3g），且经66,000次循环后弯曲位移仅略有增加，表现出优异的耐久性。

图2. 电致伸缩聚合物驱动扑动致动器。（A）P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物电致伸缩的分子起源。（B）由三元共聚物层电致伸缩驱动的双层结构弯曲行为示意图。（C）不同条件下制备的三元共聚物薄膜致动器的静态弯曲角。（D）不同条件下制备的三元共聚物薄膜致动器的静态阻塞力。示意图未按比例绘制。

图3. 电致伸缩聚合物扑动致动器的动态特性。（A）高速相机记录的致动器动态构型。一个周期由约45帧组成，此处展示每四帧中的一帧。图中比例尺为5毫米。（B）不同施加电压和频率下致动器的动态弯曲角α结果。（C）距致动器固定段1.6毫米处在4千伏和110赫兹下的代表性动态位移结果。负位移代表向上弯曲。（D）致动器振荡频率成分的傅里叶变换。（E）不同施加电压和操作频率下扑动致动器的阻塞力。（F）动能密度结果。阻塞力的平均值和标准差（样本量N=36）用圆圈和误差条表示。（G）电致伸缩扑动致动器与其他代表性软致动器用于MAV的能量和功率密度比较。

升力与飞行演示：锥形柔顺翅膀利用上下运动期间几何与柔顺性的不对称性产生净升力（图4a、图4b、图4c）。在4千伏和30赫兹下，APFR产生5.6毫牛净升力，功耗0.643瓦，升功比达8.3毫牛/瓦，升重比为3.0，优于大多数亚克级扑翼机器人（图4d、图4e）。耐久性测试中，18,000次循环后动态位移无疲劳迹象，典型寿命约60,000次循环（图4f）。飞行演示中，APFR在最初三个扑动循环内升高40毫米，平均速度40厘米/秒（图5a、图5d）；被苍蝇拍以约0.20牛·秒冲量撞击后仍能恢复上升，速度仅受轻微影响（图5b、图5e）；被总重2.1千克（相当于自重的11,000倍）的铝块压扁后，经几个恢复循环即在233毫秒内升高42毫米（图5c、图5f）。透明玻璃罐压载实验进一步显示，翅膀凹痕可在三个扑动循环后完全逆转，沿三个轴向压缩后升力仍保持原始值的97%以上。

图4. 被动柔顺翅膀的升力。（A和B）恢复冲程和动力冲程期间APFR的高速图像。图中比例尺为10毫米。（C）4千伏和30赫兹下电致伸缩致动器扑动角α与柔顺翅膀折叠锥角β的时域关系。虚线表示恢复冲程和动力冲程之间的时间边界。（D）不同施加电压和频率下APFR的升力。虚线表示机器人重量。（E）4千伏和30赫兹驱动条件下的实时升力测量。（F）距致动器梁根部1.6毫米处在4千伏和30赫兹下的代表性动态位移和耐久性测试。负位移代表向上弯曲。

图5. APFR的飞行演示。（A）无辅助起飞演示。APFR在初始三个扑动循环中垂直上升。（B）APFR承受苍蝇拍飞行中撞击的演示。撞击后，APFR恢复上升。（C）APFR被总重2.1千克的铝块压缩压扁，是机器人重量的11,000倍。移除铝块后，APFR恢复并起飞。图中比例尺为3厘米。（D至F）无辅助（D）、撞击（E）和压缩（F）飞行场景的时间-高度关系。

总结与展望：该工作通过全聚合物、无传动的架构，同时解决了亚克级飞行的两大挑战：在无传动条件下实现高功率密度、大行程和高频响应，以及将气动效率与足以承受冲击和压缩的韧性相结合。其简单的平面制造工艺有利于规模化生产，为亚克级飞行器在恶劣环境中的稳健部署提供了新范式。未来研究需聚焦于提高能量效率（目前约5.7%，集成电荷回收电路可提升至21.1%）、降低工作电压、优化翅膀几何与多翅膀配置，并整合板载传感器、微控制器和能源系统，以最终实现无绳、自主的亚克级飞行器集群，用于探索、监测与搜救任务。