液晶弹性体（Liquid crystal elastomers，LCEs）是一种智能柔性弹性体材料，其在光、热、电等多种外界刺激下均可产生较大的可逆驱动应变，在开发智能仿生设备和构建软体机器人系统中拥有巨大的研究前景。
电作为人类社会最常用的能源，具有方便、清洁、成本低等优点，是现代工业和设备首选的驱动能源，通过将可拉伸电阻加热器集成到液晶弹性体中，可以制造出具有电热致动功能的软体机器人。
然而，目前电驱动液晶弹性体软体机器人研究的痛点是，为确保软体机器人运动的连续性，驱动控制通常需要外部电源的周期性通断，导致其运动受到电能振荡输入模式的限制，无法独立实现持续的自主运动。
受费曼工作（The Feynman Lectures on Physics）启发，江苏大学徐琳教授和团队，设计的 Feynman 软体机器人巧妙地为上述问题的解决提供了新思路。
Feynman 软体机器人外表酷似车轮，使用液晶弹性体材料作为机器人的辐条驱动器，8 组液晶弹性体辐条呈 45° 夹角设置于车轮内部。
图 | 徐琳（来源：江苏大学机械工程学院网站）
液晶弹性体辐条内封装有液态金属加热电路，并与车轮外侧的导电片、机器人下方的导电平面电性连接，这种设计使机器人能够对外界电能产生响应。
图 | Feynman 软体机器人结构设计（来源：资料图）
研究中，课题组将柔性、可拉伸的液态金属电热膜集成到液晶弹性体上，一旦液态金属加热通路导通，液晶弹性体微观聚合物链由液晶态向各向同性态转变，进而表现为宏观的受热收缩。
当电源打开时，位于 Feynman 软体机器人右下方 45° 的液晶弹性体辐条通过车轮导电片与导电平面形成完整通路，激活其产生收缩形变，带动 Feynman 软体机器人质心向右偏转产生旋转。
同时，得益于机器人智能结构的设计，旋转后的软体机器人与导电平面产生新的导电通路，后一个液晶弹性体辐条驱动器被激活，前一个则因通路断开而冷却恢复原长。
依此类推，Feynman 软体机器人通过将圆形车轮结构设计与具有可逆形变的电驱动液晶弹性体致动器集成在一起，实现了无需外部电源的周期性通断，可直接从稳定的外部电源获取能量以维持自身的连续运动。
图 | Feynman 软体机器人连续运动原理（来源：资料图）
与此同时，Feynman 软体机器人也给该团队带来了如下启发：软体机器人的开发不仅着眼于智能材料的创新，软体机器人材料与智能结构的多元集成也是一条可行的思路。
日前，相关论文以《利用电驱动液晶弹性体执行器对材料进行编程运动》（Programming Motion into Materials Using Electricity-Driven Liquid Crystal Elastomer Actuators）为题发在 Soft Robotics[1]。
徐琳是第一作者兼共同通讯，江苏大学丁建宁教授和美国科罗拉多大学博尔德分校教授弗兰克·J·维纳利（Franck J. Vernerey） 担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Soft Robotics）
除了 Feynman 机器人，该团队还曾开发基于电驱动液晶弹性体的一些其他有趣的应用。
据介绍，课题组曾开发一种可双向驱控的手掌可动（5mm~55mm）的柔性夹持器，在低电流（2A~4A）的刺激下，可以精确外夹或内撑抓取如文件夹、螺钉、烧杯和环形工件等异形物品。
解决了传统外夹式单向驱动的液晶弹性体柔性夹持器受其驱动结构的制约，难以对异形环形等工件进行精确抓取、以至于应用潜力受到限制的问题。
值得注意的是，夹持器可保留 97% 水重量下夹持吸水海绵，在柔性异形敏感物品的抓取中展现出优势。
图 | 双向夹持器的柔性抓取（来源：资料图）
徐琳表示：“我们团队对 Feynman 软体机器人的研究并非一蹴而就，从制备液晶弹性体驱动器开始，如何获得最佳的电热驱动性能以及如何设计软体机器人的结构使其可以直接从稳定的外部电源获取能量以维持自身的连续运动旋转运动都是我们需要解决的问题。
Feynman 机器人的构建是一点一点的实验积累，期待我们的设计理念可以抛砖引玉，启发其他软体机器人智能材料与智能结构的多元集成。”
通过多次实验他们得到了较优的车轮厚度和液晶弹性体辐条数量，既符合机器人的轻质化和运动性能，又满足结构的稳定性。
后又通过多次实验，他们得到了更优的封装策略，以获得较长的软体机器人使用寿命。当 Feynman 机器人第一次展现出优秀的自主连续性与运动性能时，整个课题组都备受鼓舞。
后来，该团队通过进一步的研究发现：液晶弹性体辐条的材料参数（收缩应变和致动时间）和车轮的设计参数（惯性矩和初始辐条角度），对 Feynman 软体机器人运动效率和最大角速度的影响规律。
当驱动辐条收缩产生应变时 2ϵ 时，Feynman 软体机器人的角速度表达式如下图。
（来源：徐琳）
因此，未来可以通过提高液晶弹性体恢复速度、调整驱动辐条的初始角度以及在设计中添加更多辐条来改善 Feynman 软体机器人的运动性能。
与此同时，受果蝇幼虫运动的启发，课题组还开发了一款液晶弹性体软体机器人，它可以通过连续的通电和断电循环，诱导实现定向移动（爬行）。
定向移动的原理基于足部不对称设计造成的各向异性摩擦。而关于机器人柔性基底材料的表面粗糙度、硬度和几何形状对摩擦特性的影响机制，课题组在 2023 年发表的论文中已有阐述。
通过研究他们还发现，软体机器人的水平运动可以显示为与前足与后足之间的法向力差成正比，可以通过优先考虑该法向力的巨大不平衡以优化机器人的几何设计。
在此基础上优化的软体机器人自重仅 1.9g，通过独立驱动左右“液晶弹性体肌肉”，转向机器人在低电流的驱动下可在平坦和倾斜的表面上实现转弯半径（70~150mm）的精准控制。
图 | 仿生爬行软体机器人的转向运动（来源：资料图）
徐琳教授主要研究柔性驱动与感知、柔性传感器、仿生软体机器人、新型工业柔触机器人、医疗磁控软体机器人等。曾指导学生获得申昊杯第五届中国研究生机器人创新设计大赛三等奖。
参考资料：
Xu，L. et al. Programming Motion into Materials Using Electricity-Driven Liquid Crystal Elastomer Actuators. Soft Robotics(2024). https://doi.org/10.1089/soro.2023.0063
运营/排版：何晨龙
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