軟機(jī)器人因其靈活性和溫和的觸感而受到青睞，這使得它們非常適合在脆弱或封閉的空間中執(zhí)行各種任務(wù)，從在實(shí)驗(yàn)室中培育幼珊瑚到在化工廠中檢查工業(yè)管道。然而，在這種系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)具身智能，即感知、運(yùn)動(dòng)和電源在無纜配置中協(xié)同工作，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

柔性材料可以變形和適應(yīng)，但它們的電源卻無法適應(yīng)。傳統(tǒng)電池往往使機(jī)器人的身體變得僵硬，快速耗盡，或在壓力下降解，這些都使得軟機(jī)器人被束縛或壽命短暫。

來自新加坡國立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系和電氣與計(jì)算機(jī)工程系的助理教授吳長生及其團(tuán)隊(duì)找到了一種把這個(gè)限制變成優(yōu)勢(shì)的方法。他們的研究發(fā)表在 Science Advances 上，展示了控制軟機(jī)器人的同樣磁場也能提升內(nèi)部電池的性能。

“磁場通常用于 刺激軟機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過程叫做‘驅(qū)動(dòng)’，但我們意識(shí)到它們也可以穩(wěn)定柔性電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，”吳助理教授解釋道?！霸试S驅(qū)動(dòng)和能量管理共享相同的物理原理，讓我們能讓機(jī)器人真正自給自足、高效運(yùn)作?！?/p>

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了靈活的 鋅錳二氧化物 (Zn-MnO?) 電池，這些電池被封裝在柔軟的硅膠中，并在受曼塔魚啟發(fā)的機(jī)器人外形內(nèi)垂直堆疊。重要的是，與傳統(tǒng)的橫向排列不同，這種垂直集成最大化了空間并保持了機(jī)器人的柔韌性。

吳助理教授表示：“我們借鑒了曼塔魚，因?yàn)樗纳眢w正好體現(xiàn)了我們想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)——運(yùn)動(dòng)、感知和能量使用的自然整合。它的形態(tài)以高效和緊湊的方式實(shí)現(xiàn)了多功能的協(xié)同協(xié)調(diào)，讓它成為具身智能的完美生物模型?！?/p>

通過測(cè)試，研究人員揭示了機(jī)器人自身的鐵磁致動(dòng)器產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定了靈活電池的內(nèi)部化學(xué)，降低了樹枝晶生長的可能性——這種針狀金屬沉積物可能導(dǎo)致短路——并在反復(fù)受壓和彎曲的情況下保持能量輸出。在磁場增強(qiáng)下，電池在經(jīng)過200個(gè)循環(huán)后保留了57.3%的容量，幾乎是未增強(qiáng)樣品的兩倍。

“經(jīng)過進(jìn)一步研究，我們揭示了這種增強(qiáng)的工作原理。磁場產(chǎn)生的洛倫茲力作用于電解液中的移動(dòng)離子，并在電鍍過程中重新定向鋅離子的軌跡，形成更均勻的離子流，促進(jìn)陽極上均勻的鋅沉積，并有效地抑制樹枝晶的生長。

“同時(shí)，磁場使錳氧化物晶格內(nèi)的電子自旋對(duì)齊，增強(qiáng)原子間的結(jié)合力并防止在充放電過程中晶體降解，”小小補(bǔ)充道，他是吳博士團(tuán)隊(duì)的博士生，也是該出版物的共同第一作者。

“這種在完全柔性形式下實(shí)現(xiàn)的雙重磁電化學(xué)穩(wěn)定性，為在復(fù)雜多變的環(huán)境中運(yùn)行的軟機(jī)器人提供耐用的車載電源系統(tǒng)，邁出了令人興奮的一步。”

體現(xiàn)智能的行動(dòng)

為了演示這一概念，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種磁驅(qū)動(dòng)的魔鬼魚機(jī)器人，配備了柔性電池、軟磁彈性體驅(qū)動(dòng)器和輕量級(jí)混合電路，用于傳感和無線通信。機(jī)器人的鰭在外部磁場的作用下拍動(dòng)，這些磁場由線圈或電磁鐵陣列產(chǎn)生，使其能夠穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)并適應(yīng)不同的水面。

果然，驅(qū)動(dòng)和引導(dǎo)機(jī)器人的同一磁場也增強(qiáng)了它的能量穩(wěn)定性——確認(rèn)了研究人員將運(yùn)動(dòng)控制與電源管理相結(jié)合的設(shè)想。機(jī)器人可以執(zhí)行基本的游泳動(dòng)作，如線性推進(jìn)、90度轉(zhuǎn)彎和復(fù)雜軌跡，同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，以便在數(shù)字雙胞胎環(huán)境中可視化它的運(yùn)動(dòng)。

在這種設(shè)置下，機(jī)器人展現(xiàn)了自主決策的能力。例如，當(dāng)它遇到障礙物時(shí)，機(jī)載慣性傳感器檢測(cè)到加速度的突然變化，這使得控制系統(tǒng)調(diào)整方向并重新規(guī)劃路線。機(jī)器人通過姿態(tài)調(diào)整成功地穿越狹窄通道，并在面對(duì)無法通行的障礙物時(shí)進(jìn)行掉頭。

在擾動(dòng)測(cè)試中，反饋算法迅速糾正了由外部力量（如波浪或物理接觸）引起的偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)角度的偏差值，保持了穩(wěn)定的軌跡控制。集成的溫度傳感器使環(huán)境監(jiān)測(cè)成為可能，能夠繪制水域中的熱梯度。

吳助理教授表示：“在機(jī)器人的身體上垂直整合驅(qū)動(dòng)、傳感和電源，使我們能夠最大化功能區(qū)域，而不犧牲機(jī)器人的‘柔軟性’。這種設(shè)計(jì)使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)移動(dòng)、感知和響應(yīng)其環(huán)境?！?/p>

展望未來，研究人員計(jì)劃通過整合微型傳感器（用于周圍感知的超聲波傳感器或用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的化學(xué)探測(cè)器）來擴(kuò)展機(jī)器人的感知能力。他們還在探索磁性增強(qiáng)如何改善其他電池化學(xué)類型（如鋰離子電池）或其他電池形式（如可穿戴電池纖維），以提高能量密度和使用耐久性。

“我們的愿景是讓軟機(jī)器人能夠在復(fù)雜或難以到達(dá)的空間中自主思考和行動(dòng)——無論是檢查管道、監(jiān)測(cè)海洋棲息地，還是在手術(shù)室支持醫(yī)療干預(yù)，”吳助理教授補(bǔ)充道。

“通過一些創(chuàng)造性和批判性的思考，探討能量和智能如何融入身體，我們可以使軟機(jī)器人更接近自然的設(shè)計(jì)——就像優(yōu)雅的海洋巨獸——蝠鲼?！?/p>

了解更多信息： Xiaosa Li 等，磁場增強(qiáng)的垂直集成使無纜軟機(jī)器人具備了具身智能，科學(xué)進(jìn)展（2025）。 DOI: 10.1126/sciadv.adv9572