在柔性機(jī)器人研究中，如何在不依賴外部線纜或磁場的條件下實現(xiàn)可編程形變，一直是制約其應(yīng)用化的關(guān)鍵問題。

近日，來自 英國布里斯托大學(xué)（University of Bristol）的研究團(tuán)隊，在《Advanced Materials》上發(fā)表題為 Electric Field Driven Soft Morphing Matter 的研究，首次提出一種以電場能量直接驅(qū)動形態(tài)變化的軟體材料體系——電致變形凝膠 （e-MG）。

電-機(jī)械耦合的新機(jī)制

傳統(tǒng)軟體機(jī)器人多依靠磁場或光-熱刺激實現(xiàn)變形，其控制裝置往往需要復(fù)雜的電磁線圈或加熱模塊，難以同時實現(xiàn)裝置輕量化，低能量損耗，機(jī)器人快速響應(yīng)和精準(zhǔn)控制。

e-MG 的核心創(chuàng)新在于電場誘導(dǎo)極化應(yīng)力。研究團(tuán)隊通過在彈性體基質(zhì)中引入低含量的碳納米顆粒，使材料形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)外加電場施加時，局部電荷重新分布，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)極化產(chǎn)生各向異性應(yīng)力，進(jìn)而在毫秒尺度內(nèi)驅(qū)動宏觀形變。

該體系在 6 kV cm?1 電場下實現(xiàn) 286 % 的最大應(yīng)變 與 500 % s?1 的應(yīng)變速率。經(jīng) 10 000 次循環(huán)后，機(jī)械性能與形變幅度幾乎無衰減，顯示出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可逆性。這一結(jié)果說明，電場可以成為高效、非接觸的驅(qū)動力源，在無需復(fù)雜電極裝置的情況下完成柔性結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化。

圖1 軟體機(jī)器人的形變能力展示。a.材料的結(jié)構(gòu)。b.未來太空應(yīng)用場景。c. 體操機(jī)器人。d. 蝸牛機(jī)器人。e. 在狹窄通道中運(yùn)送貨物。

多模態(tài)變形與仿生展示

通過調(diào)控電極幾何與場強(qiáng)分布，研究者實現(xiàn)了多種形變模式，包括旋轉(zhuǎn)，伸展、彎曲，扭轉(zhuǎn)、平移及擴(kuò)散。在一系列實驗中，e-MG 展現(xiàn)出豐富的仿生特性：“蝸�！睓C(jī)器人可跨越縫隙，“體操運(yùn)動員”可在天花板上擺動，“青蛙舌抓取器”可在 2 s 內(nèi)完成捕獲動作。這些運(yùn)動完全基于電場梯度產(chǎn)生的力-偶分布，無需磁化或外部線纜連接。

團(tuán)隊進(jìn)一步實現(xiàn)了多個獨(dú)立單元在同一電場中的選擇性響應(yīng)，為軟體群體機(jī)器人與微操控系統(tǒng)提供了可擴(kuò)展方案。

材料穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性

研究顯示，e-MG 在空氣、液體及低壓環(huán)境中均能穩(wěn)定工作。其性能在 ?20 °C 至 120 °C 范圍內(nèi)保持一致，說明該體系具有較強(qiáng)的熱-化學(xué)穩(wěn)定性。這使其具備在太空及特殊工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用的潛力。

啟示與展望

這一研究不僅提出了新的電-機(jī)械轉(zhuǎn)化機(jī)制，更建立了從場能分布到形態(tài)演化的可解析模型。

通過有限元模擬，團(tuán)隊驗證了局部電場梯度與應(yīng)變速率的定量關(guān)系，為后續(xù)的多尺度設(shè)計提供理論依據(jù)。

電場驅(qū)動機(jī)制可以實現(xiàn)以最輕量的方式操控復(fù)雜的形態(tài)變化，這為軟體機(jī)器在未來的發(fā)展和應(yīng)用提供的新思路。

來源：材料科學(xué)與工程公眾號。感謝論文作者團(tuán)隊支持。

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