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  近日，西湖大學(xué)工學(xué)院姜漢卿團(tuán)隊(duì)提出了一種類肌肉收縮的新型電磁彈性體驅(qū)動(dòng)機(jī)制，將傳統(tǒng)高輸出的電磁驅(qū)動(dòng)高效擴(kuò)展至軟體機(jī)器人與昆蟲尺度微型機(jī)器人領(lǐng)域。該機(jī)制不僅具備優(yōu)異輸出力和大形變能力，還可在低電壓條件下穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)了在戶外環(huán)境中的完全自主驅(qū)動(dòng)。為未來小型化、無線化、高性能的智能昆蟲機(jī)器人系統(tǒng)提供了全新解決方案。

  相關(guān)研究成果以“Muscle-Inspired Elasto-Electromagnetic Mechanism in Autonomous Insect Robots” 為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

  在自然界中，動(dòng)物通過肌肉的收縮與放松產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)靈活高效的運(yùn)動(dòng)，尤其在昆蟲等小尺度生物中，肌肉所具備的高力質(zhì)量比對(duì)于克服環(huán)境阻力至關(guān)重要。相比之下，目前多數(shù)自主機(jī)器人仍依賴剛性電機(jī)及其配套的齒輪、軸承等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，難以柔性集成到軟體系統(tǒng)中，且在尺寸微型化方面存在顯著障礙。盡管近年來“人工肌肉”等智能材料驅(qū)動(dòng)技術(shù)備受關(guān)注，但它們通常需要苛刻的驅(qū)動(dòng)條件（如高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)光照），且輸出性能有限，難以支撐小型系統(tǒng)的高效自主運(yùn)行。因此，現(xiàn)有的微型軟體機(jī)器人仍多依賴外部刺激，尚難實(shí)現(xiàn)真正的無線化、戶外化和自主化運(yùn)動(dòng)。

圖1：動(dòng)物與自主機(jī)器人的輸出力質(zhì)量比與收縮變形能力

  為滿足微型軟體機(jī)器人對(duì)高輸出、大形變、快速響應(yīng)和低能耗驅(qū)動(dòng)的需求，西湖大學(xué)姜漢卿團(tuán)隊(duì)提出了一種新型“電磁彈性體驅(qū)動(dòng)機(jī)制”（Elasto-Electromagnetic mechanism, EEM）。不同于傳統(tǒng)人工肌肉主要依賴軟材料本征特性對(duì)強(qiáng)外場(chǎng)響應(yīng)、導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)條件苛刻，EEM 通過彈性體的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合硬磁與軟磁間的強(qiáng)磁吸力，模擬生物肌肉的收縮，實(shí)現(xiàn)高效驅(qū)動(dòng)。

圖2：動(dòng)物與自主機(jī)器人的輸出力質(zhì)量比與收縮變形能力

  該機(jī)制由三部分構(gòu)成：硬磁體、嵌有軟磁球的電流線圈，以及可變形的彈性體結(jié)構(gòu)（如圖2）。其核心在于兩點(diǎn)：一是利用硬磁與軟磁間的靜態(tài)磁吸力驅(qū)動(dòng)彈性體收縮，電流輸入可同時(shí)引入洛倫茲力并增強(qiáng)軟磁響應(yīng)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)吸力、提高輸出力和變形幅度；二是通過彈性體結(jié)構(gòu)中力-位移曲線的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多樣化、可調(diào)控的力學(xué)響應(yīng)與驅(qū)動(dòng)行為。

圖3：動(dòng)物與自主機(jī)器人的輸出力質(zhì)量比與收縮變形能力

  其工作原理如“拉鋸式”力平衡調(diào)控：在無電流狀態(tài)下，磁吸力與彈力平衡于自然松弛位置；通電后，增強(qiáng)的磁吸力推動(dòng)驅(qū)動(dòng)器收縮至新穩(wěn)定態(tài)；調(diào)節(jié)電流大小，即可精確控制系統(tǒng)收縮程度。該機(jī)制具備雙向調(diào)控能力，不僅實(shí)現(xiàn)高達(dá) 210N/kg 的單位輸出力、60% 的大形變量及低至 <4V 的驅(qū)動(dòng)電壓，還可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“免持續(xù)供電”的雙穩(wěn)態(tài)甚至三穩(wěn)態(tài)鎖定，大幅提升能效。整體結(jié)構(gòu)緊湊、易于微型化，展現(xiàn)出接近生物肌肉的高效驅(qū)動(dòng)特性，為構(gòu)建真正無線、自主、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的昆蟲尺度機(jī)器人提供了新路徑。

  基于這一新型電磁彈性體驅(qū)動(dòng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建出一系列具備完全自主驅(qū)動(dòng)、高輸出力和大形變能力的昆蟲級(jí)軟體機(jī)器人原型。在多種機(jī)器人中，蠕動(dòng)式爬行機(jī)器人展現(xiàn)出卓越的抗沖擊性能與環(huán)境適應(yīng)能力。憑借EEM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來的結(jié)構(gòu)柔順性與微型化體積，該機(jī)器人即使從約30米高空墜落，仍可在著陸后繼續(xù)自主匍匐，無任何功能損傷。這種極端生存能力為其在復(fù)雜、不可預(yù)測(cè)的野外環(huán)境中部署奠定了基礎(chǔ)。未來，這類柔性機(jī)器人有望由無人機(jī)集群高空投放，深入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的廢墟縫隙，執(zhí)行搜救偵察與信號(hào)標(biāo)記等關(guān)鍵任務(wù)。

圖4：動(dòng)物與自主機(jī)器人的輸出力質(zhì)量比與收縮變形能力

  此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出一款仿水螅結(jié)構(gòu)的軟體游泳機(jī)器人，能夠在完全自主供能條件下，于自然水體中持續(xù)穩(wěn)定游動(dòng)超過一小時(shí)，展現(xiàn)出優(yōu)異的續(xù)航性能與環(huán)境適應(yīng)性，為水下環(huán)境監(jiān)測(cè)與污染探測(cè)等任務(wù)提供了微型化平臺(tái)的可能。

  值得一提的還有跳躍機(jī)器人，其體型僅指尖大小，卻具備完全自主驅(qū)動(dòng)能力，是目前已知最小可實(shí)現(xiàn)連續(xù)彈跳的軟體跳躍機(jī)器人。該系統(tǒng)通過極簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效能量釋放與強(qiáng)彈跳表現(xiàn)，后續(xù)優(yōu)化有望進(jìn)一步提升跳躍高度與穩(wěn)定性，為其在復(fù)雜地形下的實(shí)地應(yīng)用打開新空間。

圖5：動(dòng)物與自主機(jī)器人的輸出力質(zhì)量比與收縮變形能力

  在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步展示了基于EEM驅(qū)動(dòng)機(jī)制的昆蟲級(jí)機(jī)器人在搭載多種傳感器后執(zhí)行環(huán)境感知任務(wù)的潛力。例如，團(tuán)隊(duì)在蠕動(dòng)式爬行機(jī)器人上集成了微型溫濕度傳感器，使其能在自主行進(jìn)過程中實(shí)時(shí)探測(cè)并無線傳輸不同環(huán)境艙室中的溫濕數(shù)據(jù)；在仿水螅游泳機(jī)器人上則集成了酒精氣體傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)密閉水體中化學(xué)信號(hào)的探測(cè)與上報(bào)。這些演示驗(yàn)證了EEM平臺(tái)不僅具備強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)能力，也能夠靈活搭載多種物理與化學(xué)傳感器，具備面向復(fù)雜、狹小環(huán)境中數(shù)據(jù)采集與任務(wù)執(zhí)行的廣泛拓展性。

  該研究以磁勢(shì)能與彈性勢(shì)能的平衡為基礎(chǔ)，提出了一種將傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)拓展至軟體機(jī)器人的全新機(jī)制。該機(jī)制由軟硬磁體之間的強(qiáng)磁吸引主導(dǎo)形變，突破了以洛倫茲力為核心的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式，顯著提升了微型軟體機(jī)器人的輸出力與形變能力。通過對(duì)彈性體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)低功耗、高能效的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)。結(jié)合其在自主運(yùn)動(dòng)、環(huán)境適應(yīng)、能耗調(diào)控與任務(wù)集成等方面的優(yōu)勢(shì)，該平臺(tái)為災(zāi)后搜救、環(huán)境監(jiān)測(cè)及生物信號(hào)探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐與發(fā)展?jié)摿Α?/span>

  此項(xiàng)研究工作的第一作者為西湖大學(xué)博士后許昌瑀和博士后曹亞軍。西湖大學(xué)工學(xué)院講席教授姜漢卿為通訊作者。該工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及西湖大學(xué)相關(guān)經(jīng)費(fèi)的支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62182-2