《Actuators》：A Geometry-Centered Review of Bending Actuators Across Multiple Actuation Technologies
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弯曲致动器是软体机器人（soft robotics）和其他需要紧凑、可逆、仿生运动的工程应用中的关键组件。尽管已经识别出许多弯曲致动器，但文献仍然碎片化，大多数研究按材料类型、驱动原理或应用领域组织。本综述采用基于构型的视角，并根据几何架构而非驱动技术对弯曲致
弯曲致动器是软体机器人（soft robotics）和其他需要紧凑、可逆、仿生运动的工程应用中的关键组件。尽管已经识别出许多弯曲致动器，但文献仍然碎片化，大多数研究按材料类型、驱动原理或应用领域组织。本综述采用基于构型的视角，并根据几何架构而非驱动技术对弯曲致动器进行分类。研究人员分析了文献中的代表性致动器，并根据将输入能量转化为曲率的几何机制进行分组。分析显示，不同的致动器技术反复依赖于一组重复出现的构型家族，包括层压（laminated）、管状（tubular）、内腔（internal chambers）、卷绕（rolled）、折纸/剪纸（origami/kirigami）、铰接（articulated）和混合（hybrid）结构。通过强调几何，所提出的分类法阐明了弯曲运动的结构起源，并实现了弯曲致动器的跨技术比较。
论文主体部分的内容总结如下：
1. 引言：引言指出弯曲（bending）是机械系统改变形状和与环境交互的最常见方式之一，涉及连续曲率生成或通过关节序列实现。弯曲在软体机器人（soft robotics）和混合致动器中具有关键作用，适用于预抓取、操纵、生物医学导航、可穿戴康复和运动等领域。现有文献按材料、驱动原理或应用领域组织，导致碎片化，而本综述采用以几何为中心的视角，将弯曲致动器按结构构型分类，而非驱动技术，以揭示跨技术的共同结构原理。
2. 文献计量分析：文献计量分析部分通过结构化搜索识别了2015至2026年间关于弯曲致动器的125篇出版物，包括88篇研究文章、34篇综述和3个书籍章节。关键词共现网络显示“弯曲”连接了设计、软致动器和软体机器人等节点，而几何构型相关的簇缺失，证实了现有文献按技术、材料和领域组织的碎片化。年度趋势显示，2020年后出版物显著增长，表明领域快速发展。各构型的分布显示，双压电晶片（bimorph）结构（562篇）研究最成熟，折纸（origami）（354篇）和铰接/混合（articulated/hybrid）（359篇）紧随其后，而卷绕（rolled）（32篇）和管状（tubular）（12篇）研究不足，这种不均匀分布促使了几何中心分类法的提出。
3. 基本物理原理和激活能量：本节概述了弯曲运动的激活方法。流体激活（fluidic activation）通过加压气体或液体引起结构体积膨胀，在几何约束（如应变限制层）下产生应变梯度，导致弯曲。热激活（thermal activation）通过材料热膨胀系数差异或温敏聚合物变形产生弯曲。电激活（electrical activation）包括压电（piezoelectric）效应、介电弹性体（dielectric elastomer）的麦克斯韦应力、离子电活性聚合物的离子迁移，以及焦耳热驱动的热变形。磁激活（magnetic activation）利用磁流变液（magnetorheological fluid）的场致刚度变化或磁致伸缩效应实现弯曲。光激活（optical activation）通过光热效应或光化学效应（如偶氮苯异构化）产生非对称应变。化学激活（chemical activation）利用溶剂响应、pH敏感水凝胶或湿度响应材料产生弯曲。
4. 实现弯曲运动的几何构型：本节详细介绍了七种主要几何构型。
4.1 层压结构：层压（laminated）结构由刺激响应层与被动层粘合而成，通过层间应变不匹配产生弯曲。单压电晶片（unimorph）和双压电晶片（bimorph）是典型代表，广泛应用于压电致动器、介电弹性体（dielectric elastomer）致动器和磁流变致动器等。
4.2 管状结构：管状（tubular）结构具有中空圆形截面，弯曲由壁厚不均、材料分布不对称或局部驱动引起。典型实现包括压电管致动器，通过选择性激励电极区域产生曲率，以及用于微创手术的导管致动器。
4.3 内腔结构：内腔（internal chambers）结构通过可延伸和不可延伸区域的变形不匹配产生弯曲，利用应变限制层、多腔室选择性激活或偏心腔室等方法。广泛应用在软体机器人中，如夹持器和康复装置。
4.4 卷绕结构：卷绕（rolled）结构将柔性材料绕纵向轴卷绕，弯曲由非均匀变形引起，包括弹簧卷（spring-roll）和枢轴卷（pivot-roll）变体。常用于介电弹性体致动器，在水下机器人和抓取装置中具有优势。
4.5 折纸/剪纸结构：折纸（origami）和剪纸（kirigami）结构利用折叠或切割图案引导弯曲，变形集中在预定义线上。常见图案包括吉村（Yoshimura）、克雷斯林（Kresling）、水弹（Waterbomb）和米乌拉（Miura）图案，以及平行条纹切割或网格切割。与介电弹性体和气动致动器集成。
4.6 铰接和混合结构：铰接（articulated）和混合（hybrid）结构通过离散元件的相对运动（如关节、铰链或柔性元件）实现弯曲，具有高承载能力和可控性。典型例子包括嵌入刚性段的软复合致动器、基于肌腱驱动的连续体机械臂，以及利用Fin Ray效应的顺应框架。
4.7 多几何构型：多几何构型（multi-geometric configurations）组合了两种或多种基本构型，例如折纸与内腔结合、剪纸与内腔结合、折纸与层压结合，以及卷绕与内腔结合，展示了新兴的设计方向。
4.8 性能指标概览：本节以表格形式总结了每种构型在弯曲角度、阻塞力、响应时间和耐久性方面的典型性能。层压结构覆盖最广的驱动技术；内腔结构实现最大弯曲角度（气动可达450°）；卷绕结构角度适中（30–90°），但紧凑；折纸/剪纸结构在电动和磁驱动下表现良好；铰接结构响应时间范围最宽；多几何构型数据有限。
5. 讨论：讨论部分总结了弯曲运动的两种定义模式：几何预定义（如折纸折叠模式）和驱动选择模式（如卷绕结构的电极激活）。跨技术比较显示，相同构型可应用于不同驱动技术，如层压结构在压电、介电弹性体和热响应材料中通用。部分构型仍局限于少数驱动方法，如卷绕结构仅在电驱动中出现，管状结构仅用于气动和电驱动，探索这些未开发组合是未来方向。构型与应用领域对齐：管状结构适用于微创手术，内腔结构适用于可穿戴设备，卷绕结构适用于水下运动，折纸/剪纸适用于爬行机器人。制造约束也需要考虑，简单构型（层压、管状、基本内腔）易于制造，而复杂构型（折纸、剪纸、多几何）需要精确加工。
6. 结论：结论强调，弯曲运动主要由几何结构约束非对称变形决定，而非能量源本身。所提出的分类法使不同驱动技术的致动器可在结构层面进行比较，支持致动器选择与设计。未来方向包括组合多种构型以增强运动能力、探索未开发的构型-驱动配对，以及建立标准化表征协议。
