1 前言

传统机器人由刚性材料和部件制成，以满足高精度、快速移动、大力矩和易于控制的要求，而软机器人主要由柔软的材料制成，目的是提高安全性、适应性和增强复杂的运动的能力，这在传统的机器人中较难实现。大自然为软机器人的发展提供了大量灵感。生物学的不断进步，新材料和制造技术不断进取，软机器人也得以快速发展。例如，嵌入橡胶中的基于刚性形状记忆合金的网格管已被用于类蠕虫机器人的致动装置。弹性体的气动和液压致动器以及刚性结构部件也被用于不同类型的软机器人。许多生物，如毛毛虫，其身体完全柔软柔顺，没有任何刚性部件（如骨骼），在适应形状方面表现出前所未有的能力。刺激响应性软材料，如电活性聚合物、形状记忆聚合物、热响应性弹性体、和水凝胶尚未被开发用于完全柔软的机器人；然而它们仅被实现为致动器以提供简单的机械变形。此外，所有这些现有的软机器人都没有表现出那些完全柔软的动物的类比模仿，这些动物具有局部、可编程的驱动和变形能力，以及感知和响应环境变化或刺激的能力。

创造一个能够移动并自主响应刺激的自适应全软机器人是一个巨大的挑战，因为它需要具备生物的传感和控制能力。本文工作旨在解决全软体结构和自适应传感和响应方面的上述挑战，并通过基于软响应材料和柔性电子的新型设计策略推动软机器人的发展。

2 软体材料致动原理

软电子，即传感器和致动器，控制着柔软的响应性人造肌肉。演示的软机器人能够以可编程和自适应传感驱动方式进行复杂的形状自适应和双向步态运动，包括软焦耳加热电子网格、超薄硅光电传感器和热响应液晶弹性体（LCE）。通过结合软电子的机械柔软性、传感和局部致动以及人工肌肉的响应性的优点，软机器人表现出传感、自主致动和运动的能力。这些发现包括一整套材料、力学、薄软传感器和致动器，以及实现自适应软机器人的设计策略。对材料、机械、热和电气特性的系统实验、计算和分析研究揭示了合成软机器人设计、制造和操作的基本方面，并提供了适用于未来规模的定量设计指南。

对于尺虫来说，神经支配的神经元和肌肉是负责其运动的最重要器官之一。作为模仿，我们的合成机器人采用了软感应和致动电子设备以及基于LCE的热响应人工肌肉。具体而言，选择LCE是因为其顺应性（25°C下的模量为0.5MPa）和对热刺激的可逆形状适应性反应。在75°C的温度附近，LCE经历了从具有有序和排列的介晶（伸长）的各向异性相到具有无序介晶（收缩）的各向同性相的可逆转变。将炭黑纳米粒子掺杂到LCE（LCE-CB）中，以提高其热导率，从而加快热响应，提高结构稳定性。通常，具有较高炭黑浓度的LCE-CB产量增加了热导率，但降低了收缩率。具体而言，在这项工作中，具有2 wt%的LCE-CB。

一旦集成在一起，就采用开放式网状可拉伸加热器来致动LCE-CB。设计标准是：（1）加热器应该能够产生足够的焦耳热来有效地致动LCE-CB，（2）加热器和LCE-CB可以同时变形，（3）加热器在变形时保持功能，（4）加热器不会对LCE-CB施加显著的机械约束，（5）阵列式加热器可以依次激活，以及（6）LCE-CB可以被局部地致动。因此，设计和制造了一种独立的超薄（≈2.6µm厚）开孔蛇形加热器，该加热器通过多个沉积和图案化步骤构造为聚酰亚胺Au聚酰亚胺。各向异性导电膜（ACF，Elform）电缆连接加热器的焊盘和可以与外部电路接口的印刷电路板。实验部分介绍了加热器的详细制造工艺和电气连接步骤。蛇形布局设计用于在LCE-CB上实现均匀的热量，同时实现机械变形能力。加热器的电阻为281.8Ω。通过施加8.2V的电压，加热器产生的焦耳热（≈0.237W）传导到LCE-CB，导致沿纵向收缩。测量的收缩率（≈24%）与支持信息中所示的在热板上加热时的收缩率几乎相同。LCE-CB材料正面和背面的温度由红外（IR）相机（FLIR SC7000）拍。进行了有限元分析（FEA）以证实实验结果。详细信息包含在支持信息中。有限元分析得出的温度图与实验观察结果非常吻合。有限元分析结果也证实了加热器可以与LCE-CB同时变形，并且不会限制LCE-CB变形。为了模仿尺虫在运动过程中身体的“波浪”形状，采用了双压电晶片结构。双压电晶片由Kapton薄膜（聚酰亚胺，50µm厚，杜邦）、LCE-CB（500µm厚）带和超薄加热器构成。选择Kapton薄膜是因为其机械柔软、低热膨胀系数、物理粘附性和低摩擦系数。在电刺激下，LCE-CB和Kapton膜之间的热诱导机械失配驱动弯曲变形。值得注意的是，双晶片被有效驱动的温度可能略高于转变温度，即本研究中的80°C。由于双晶片的单向性质，弯曲方向由Kapton膜决定。恢复电刺激后，温度降低，双层由于LCE-CB的伸长以及储存在Kapton膜中的机械能的释放，结构将恢复到其初始构型。基于简化热机械模型的分析研究得出了电刺激前后双晶片弯曲半径的结果，这与实验相当吻合。

通过在软结构中引入多个双晶片，可以对其形状进行编程，其中两个加热器（I和II）可以单独寻址。在电刺激（施加0.069W的功率）时，最初的扁平结构实现了不同的弯曲形状。局部温度升高通过IR和FEA分析得到证实。

基于神经支配加热器的数量、分布和激活顺序，可以容易地实现更复杂的形状编程。准备了三个可独立寻址的加热器和相关的双晶片作为示例，以说明分布变形和复杂形状。附着的Kapton膜的位置决定了双晶片的弯曲方向，从而决定了所产生的可编程形状。对于三种不同加热器的这种情况，存在八种可能的双晶分布变化。在这里，我们展示了两个有代表性的例子。选择性地激活特定的加热器会产生不同的可编程形状，而不会全局改变环境温度。激活加热器I（l）时平面配置的编程形状当整个结构在没有任何电刺激的情况下均匀加热至≈80°C时，也可以观察到这种“S”形状。在所有三个双压电晶片向下弯曲的情况下，也实现了轧制形状的类似结果。由于双晶片定义了整体形状，结果清楚地表明，通过电刺激变形的形状与通过其他热手段变形的形状一样有效。结果表明，来自软人工肌肉的完全柔软的结构可以通过神经支配的软电子致动器编程成所需的形状。

3 爬行实验

软体尺虫通过收缩纵向肌肉纤维弯曲身体和交替固定腿部，具有独特的爬行运动模式。它通常执行四个顺序步骤来完成一步，即爬行运动的一个周期。为了模拟这种运动，我们的合成机器人采用了两个可电编程的双晶片，其中一个向上弯曲，另一个向下弯曲。该软机器人的尺寸为28.6×7.7×0.5 mm3（长×宽×厚），总重量为0.29 g。值得注意的是，该尺寸可以轻松放大，以实现更快的运动速度。

根据每个元件的功能，软机器人可以分为三个主要部件：前腿、后腿和身体。运动实验是在玻璃板上进行的。前腿和后腿的长度分别为0.5毫米和4.3毫米。支持信息中的显示了LCE-CB和玻璃板之间测得的静态摩擦力，以及Kapton薄膜和玻璃之间的摩擦力。在25°C和80°C下，LCE-CB和玻璃板之间的摩擦力分别为3094和12042µN mm−2。与Kapton薄膜和玻璃之间相比，LCE-CB和玻璃之间的摩擦力高得多，一旦放置在玻璃上，前腿就起到了抓手的作用，并导致拉锚或拉锚运动，如下所述。通过依次激活和停用双晶片，软机器人实现了双向步态运动。在每个步幅周期中，涉及四个顺序步骤，这与尺牍的步幅相似。在第一步中，加热器I被启动，相应的双压电晶片被启动，从而向下弯曲。由于与后腿相比，前腿的摩擦力高得多，机器人的后腿和身体被向前拉动，即锚拉步骤。这种变形大约需要15秒才能完成。第二步涉及通过向上激活其他双压电晶片来弯曲机器人，以从玻璃板上释放前腿。在第三步中，加热器I被停用，而加热器II被保持激活以使双压电晶片I变平。最后，在关闭两个加热器的电源后，机器人变得扁平，身体和前腿向前移动一步，即锚推。连续爬行运动是通过重复步骤II-V来实现的。由于结构的热特性（取决于材料特性、几何参数和载荷条件），每个步骤需要大约15秒才能稳定下来，每个步进周期需要60秒才能完成。具有较高热扩散率或较薄厚度的LCE-CB可以缩短加热和冷却时间。电刺激所施加的热功率的增加可以减少加热时间，但延长冷却时间。通过平均六个周期，平均步幅约为1.91毫米，其中在364秒内实现了11.46毫米的总运动距离。电影S1（支持信息）显示了机器人的向前爬行。计算出的平均速度为1.91 mm min−1。

适应性是软体动物生存和互动的重要特征。通过对软变形传感器和人工肌肉上的加热器进行神经支配，创造了软自适应机器人。我们利用超薄硅光电子作为合成软自适应机器人中的传感机构的一个例子来说明自主光传感和驱动/运动能力。硅光电子是通过将具有预定光电特性的硅绝缘体（SOI）晶片上的超薄硅转移印刷到薄聚酰亚胺（PI）衬底上，然后进行金属化和钝化来实现的。由于软机器人在运动过程中会发生弯曲，因此采用了薄开放网格网络格式的光电探测器。两个光电探测器阵列位于软机器人的表面。制造的机器人的光学图像。光电探测器的结构及其光电特性软自适应机器人的详细设计和几何形状如支持信息中。虽然机器人具有与先前描述的相同的运动能力，但双压电晶片的自适应致动遵循光电探测器阵列的光响应。涉及两个光电探测器阵列，每个阵列的响应相应地控制加热器的开/关。我们使用激光束（绿色和红色）照射在光电探测器阵列上。一旦光电探测器阵列I感测到激光，加热器I将被激活。同样地，当光电探测器阵列II感测到光时，加热器II将被激。。在光电探测器阵列I感测到激光（绿色）后，双晶片I向上弯曲并在15s后稳定。然后将红色激光照射到光电探测器阵列II上激活双晶片II向下弯曲。关闭绿色激光，双压电晶片将变得平坦，因此前腿与玻璃基板接触，并由于高摩擦而形成抓握。最后，当双晶片II变平时，关闭红色激光器将导致锚向后推动运动。自适应运动的电影出现在电影S3（支持信息）中。以自主的方式基于光电探测器的响应来触发顺序致动。这里展示的结果表明，软机器人可以感知环境并做出适应性反应或移动，接近于自然生物的行为。

4 结论

本文展示了电子支配软机器人的设计、构造和操作。虽然LCE-CB是本研究中使用的人工肌肉材料的一个例子，但其他响应材料也广泛适用。尽管光传感能力仅在这种情况下得到证明，但一旦设计得当，其他传感能力，如温度、化学、机械等，都可以实现，并丰富自适应机器人的智能。本研究中提出的软体机器人是一个系留系统；但它可以完全不受软能采集器、储能器、传感器、电路、等方面的最新进展的影响。用分布式软传感器和执行器支配人工软肌肉的策略为解决模拟软动物的关键挑战奠定了基础，并为开发智能软自主机器人提供了可行的方法。这种完全柔软的机器人在许多领域都有前景。