基于几何编码液晶弹性体弧形附肢的高质心多足软体机器人

《Advanced Materials》：High Center-of-Mass, Multi-Legged Soft Robots Powered by Geometrically Encoded Liquid Crystal Elastomer Arc Appendages

　　

生物附肢通过将高柔性与多功能机动性相结合，在运动过程中发挥着至关重要的作用。然而，大多数软体机器人由于其无附肢且仅具有单一变形模式的结构，在很大程度上被限制在接触表面，导致低质心（CoM）和有限的姿态/空间机动性。本研究中，研究人员利用液晶弹性体（LCE）弧形纤维作为附肢构建软体机器人，以模拟其生物对应物的复杂机动动作。通过几何编码将扭转和弯曲模态相结合，使这些机器人能够凭借自然抬高的质心和增强的机动性超越表面约束。利用纤维变形-恢复循环的动力学和热力学特性，研究人员将编码纤维集成到具有垂直和水平旋转对称性的三维打印主体中，其设计灵感分别来源于章鱼和金轮蜘蛛的运动。该模型能够实现抬升、降低、倾斜和旋转，具有显著的姿态自由度。经工程设计后，它还能以每秒1.3倍体长的速度滚动、攀爬32.5°的斜坡，并穿越非结构化地形。这些成就得益于抬高质心所固有的不稳定性产生的大惯性，以及附肢有效的地面锚固作用。这些见解为可定制的、高机动性软体机器人平台在复杂真实环境中导航奠定了基础。

## 研究背景与问题提出

生物体利用其附肢在多种表面上实现柔顺的复杂姿态变化和全身运动。例如，章鱼通过伸展、扭转和弯曲其腕足实现高度多样化的身体运动；金轮蜘蛛不仅用腿行走，还会侧向滚动下坡以逃避捕食者。这些运动中卓越的活动自由度主要由附肢的几何构型和复杂变形驱动，此类结构自然形成较高的质心（CoM），使生物体能够以最小地面接触实现全身机动性。然而，现有软体机器人大多缺乏附肢结构，依赖单一模式变形，导致质心较低、姿态和空间机动性受限。尽管液晶弹性体（LCE，一种由介晶轻度交联的聚合物网络）能够实现大变形、复杂且可逆的形变，但现有LCE机器人多为无附肢结构，依赖单一模式变形，形成平面或宏观一维几何构型，低质心特性从根本上限制了垂直运动能力并缩小了运动模式的设计空间。模仿章鱼等生物将伸长、扭转和弯曲模态相结合且具有最小接触足迹的附肢结构仍具挑战性。

## 研究内容与核心发现

研究人员创新性地采用LCE半圆形弧形纤维作为多足软体机器人的附肢。选择该弯曲几何结构的原因在于：其固有曲率能够抬高机器人主体并提供理想的点接触初始状态，同时编码将热刺激转化为同步收缩、扭转和弯曲变形所需的机械约束。通过编程各附肢的变形实现运动控制，研究人员系统研究了弧形几何（曲率κ）与介晶取向之间的动态相互作用，发现了两种反常变形行为：当化学计量比R值较低或曲率较大时，LCE弧在加热时进一步弯曲而非伸直；反之则向相反曲率展开。这些行为通过X射线衍射（XRD）图谱中的取向对比推断，并由原子力显微镜（AFM）压痕测试验证——弯曲过程中前体中悬挂链的迁移导致弧内外侧交联密度存在差异。

基于对LCE纤维变形热力学和动力学的理解，研究人员设计了两种仿生机器人。章鱼灵感机器人采用垂直旋转对称布局，通过调整附肢安装角度θ、纤维曲率和扭转手性，实现抬升、降低、旋转和倾斜运动：当θ=30°和45°时，机器人可分别抬升至初始高度的338%和226%；可降至初始高度的50%；可实现60°旋转和39.4°倾斜。金轮蜘蛛灵感滚动机器人（rollbot）采用水平旋转对称设计，其质心位于体长0.30倍处，远高于传统LCE滚动机器人的0.022-0.095倍体长。该高质心设计利用重力不稳定性产生的大惯性，配合弧形附肢的有效地面锚固，实现了持续滚动运动。

## 关键技术与方法概述

研究采用三步法制备LCE弧形纤维：迈克尔加成反应进行部分交联（阶段Ⅰ）、机械拉伸-扭转-弯曲对齐（阶段Ⅱ）、紫外光交联锁定结构（阶段Ⅲ）。通过调控化学计量比R（丙烯酸酯/硫醇摩尔比）制备R1.1和R1.25两种纤维，利用XRD表征介晶取向分布，AFM压痕测试验证交联密度差异。机器人主体采用数字光处理（DLP）三维打印技术制备刚性树脂结构。运动性能测试包括热台滚动实验、热成像分析、斜坡攀爬及负重拖拽测试，样本队列为实验室制备的LCE纤维及组装机器人。

## 研究结果详述

### 2.1 LCE弧形纤维与机器人整体设计

半圆形几何被选作机器人附肢的理想初始状态，因其可提供点接触并抬高质心，同时施加拉伸、扭转和弯曲变形以模拟章鱼腕足的复杂变形。LCE弧形纤维通过三个阶段制备：阶段Ⅰ为介晶经迈克尔加成反应的延伸和部分交联；阶段Ⅱ为拉伸、扭转和弯曲的机械对齐；阶段Ⅲ为紫外光交联锁定编码结构。化学计量比R（n(丙烯酸酯)/n(硫醇)）控制为略大于1，过量丙烯酸酯基团作为悬挂链用于阶段Ⅲ的紫外交联。加热至向列相-各向同性相转变温度（T_NI）以上时，扭转弯曲的LCE纤维同时发生扭转和弯曲变形，产生面外驱动。纤维可通过R值、扭转密度、扭转手性、曲率κ和纤维直径进行化学机械编码。章鱼灵感设计采用垂直旋转对称轴，金轮蜘蛛灵感"滚动机器人"（rollbot）采用镜像对称设计以防止倾倒。

### 2.2 LCE纤维的力学性能

R1.25因具有较低交联密度（?_c）和更多悬挂链，表现出比R1.1更大的延伸率。大直径（LD，内径3.17 mm）和小直径（SD，1.58 mm）R1.1纤维分别延伸至310%和450%，R1.25则分别达460%和530%。较细纤维因表面积体积比更大、悬挂链更易迁移至表面，表现出更大延伸率。紫外交联后，R1.25的杨氏模量（E=44.7 MPa）高于R1.1（26.1 MPa），具有更大的收缩力和更高的T_NI（95°C vs. 90°C）。

### 2.3 扭转LCE纤维的变形与恢复

通过热枪纵向加热、室温冷却的方式，研究者考察了纤维直径、扭转密度和R值对变形恢复速度的影响。较细纤维因热吸收和散热更快而变形恢复更迅速；较低R值因交联密度低而变形更快，较高R值则因增强的形状恢复性而恢复更快。R1.1在220°C下进行100次扭转变形-恢复循环后，平均扭转角度从1402°仅降至1383°，表明变形行为在初始循环后显著稳定。

### 2.4 弯曲LCE纤维的变形与恢复

弯曲纤维在加热时表现出意外行为：LD R1.1（高κ=1/6 mm^-1）被拉直后变形至相反曲率；SD R1.25（小κ=1/9和1/16 mm^-1）的曲率反而增大。XRD分析揭示R1.1弧内外侧的顺序参数比（S_OS/SECHO_IS）为1.136和1.131，而R1.25仅为1.022和1.006，表明R1.25中更多的悬挂链迁移削弱了弧内外侧的取向差异。AFM压痕测试证实R1.1内侧比外侧更硬，而R1.25两侧模量相当。R1.1在100次弯曲循环测试中，曲率从0.0975 mm^-1轻微松弛至0.0866 mm^-1，确认了其力学可靠性。

### 2.5 LCE机器人的章鱼式运动

通过独立寻址的变换模式设计特定功能。上升运动中，R1.1纤维（顺时针扭转，每半环4扭）通过倾斜角θ=30°和45°的连接盘固定，分别实现338%和226%的高度抬升。降低运动采用SD R1.25纤维，通过改变固定方式使纤维反扭时锚点外移，θ=30°和45°时分别降至初始高度的50%和67%。旋转运动采用相反扭转手性，实现39°和60°旋转。倾斜运动通过组合两种扭转手性和无扭转纤维，利用R1.25的反常进一步弯曲行为，产生11.3°（SD）至39.4°（LD）的倾斜角。

### 2.6 金轮蜘蛛式滚动机器人运动

Rollbot的质心位于0.30倍体长处，远高于传统LCE滚动机器人。两组相反手性的扭转弯曲纤维附着于圆柱形主体两侧，未扭转纤维推压地面，高质心设计将推进力转化为持续前滚力矩。变形纤维离开热表面后在较冷空气中恢复形状，温度梯度驱动连续滚动。（1.25, 4, 9, 6）参数组合在300°C时达到52 mm/s（1.3 BL/s）的最高速度，LD和SD变体在140°C、220°C和300°C下呈现不同的速度-温度关系。滚动惯性因高质心和最小接触足迹（圆形截面仅两点接触）而增强，可实现多步连续滚动。

运动可通过体设计或纤维组装定制：相同手性纤维产生旋转运动；两侧不同曲率产生轨道运动；单侧相反手性纤维实现单步停止；不同?_c纤维组合产生动态变速。

### 2.7 滚动机器人在多种环境中的适应性

三大设计原则——高质心、附肢有效地面锚固、半圆弧几何的最小点接触——使机器人适应多种环境：可在95°C浅水中通过强锚固力逃离表面张力；成功攀爬32.5°斜坡（传统LCE机器人通常仅能在10°-15°斜坡滚动）；拖拽4.8 g货物（自重2.2倍）时产生13.3 mN拖曳力；在随机褶皱铝箔地形上通过逐点接触实现连续滚动；附肢嵌入沙中时扭转弯曲变形产生挖掘效应。

## 讨论与结论翻译

研究人员在该研究中展示了受章鱼和金轮蜘蛛启发的高度机动、适应性强且可定制的基于LCE的多足机器人。高适应性根植于LCE对动物形态（特别是自由端附肢和高质心）的复现。与单片式LCE机器人不同，本研究机器人的附肢具有一个自由端，使主体能够根据设计向任意方向最大幅度移动。变形主要是扭转和弯曲运动的组合，产生协同推动力，推动身体沿任何单根纤维都不具备的方向运动，这是通过纤维位置的旋转对称性实现的，使各纤维的推进矢量叠加并在目标方向产生运动。纤维的弯曲几何结构在机器人运动和适应性中起关键作用：促进对表面的强锚固，因为反扭运动将部分展开的纤维固定于基底；弯曲纤维还允许机器人与表面在任何随机地形上实现点接触，减少的接触面积增强了机动性，高质心进一步放大了这一优势。有趣的是，滚动机器人利用其高质心及由此产生的惯性实现更高速度。

内在可定制性源于介晶机械取向的多样性、其化学成分以及LCE纤维的组装。具体而言，R值、扭转密度、曲率κ、纤维数量和直径以及表面温度影响机器人运动。研究人员分析了各因素对LCE纤维变形和恢复的影响，有助于定制机器人运动的幅度和速度。更重要的是，通过XRD和观察到的LCE纤维力学行为，研究人员考察了悬挂链和曲率对温度驱动变形和恢复的联合影响，发现了两种新的反常变形行为，提供了对机器人运动及其与各参数依赖关系的更深入理解。预期这些发现将在未来设计用于卷曲纤维的缠绕行为和智能阀门的曲率反转。

大多数LCE研究集中于在微观尺度模拟肌肉工作机制，以及通过优化LCE几何实现各种驱动形式，而非模拟生物体的整体形状。纤维的基本驱动模式包括收缩/伸长、扭转/解扭和振荡，但通常需要系留于负载以控制和稳定驱动，导致恢复控制受到有限关注。本研究中，研究人员观察到弯曲LCE纤维的变形和恢复动力学涉及以临时波动为特征的延迟稳定期，尤其在恢复阶段，这些复杂性可能源于分子迁移与交联密度差异之间的相互作用。LCE纤维仅一端固定实现了更高自由度，模仿了章鱼和金轮蜘蛛的运动。未来可通过优化材料成分将驱动温度阈值降低至近环境或生理范围，采用核壳结构可实现超快速、高弹性响应，同时降低启动温度。最终，该研究展示了一种新的设计范式，可利用材料特性与仿生形态之间的协同相互作用。