文章来源 机器人大讲堂

自然界中的生物体展示了结构与功能的无缝结合，这主要得益于液体在各器官之间的流动和连接。蜘蛛是一类特别突出的例子，其体内的血淋巴不仅能实现肌肉激活，还能赋予骨骼适应性。与以往研究关注于分离的方面（如加压和柔性结构）不同，最近刊登在Advanced Functional Materials上的一项研究展示了一种全新的蜘蛛腿启发的软外骨骼系统，它通过包含的液体实现了肌肉系统的整合，利用水合作用和电荷传输来进行肌肉激活和结构适应。这一技术的实现标志着生物启发的软机器人领域取得了重要进展。

▍系统概述

生物模型与功能组件

蜘蛛腿作为生物模型展示了多相物理和多功能元素的无缝融合。其结构支撑通过外骨骼实现，内部含有血淋巴这种液体，能够同时赋予结构适应性和肌肉激活能力。具体而言，血淋巴提供了肌肉收缩-放松所需的氧气和营养物质，并通过水化外骨骼实现其受控变形。本文中，研究团队设计并制造了一种毫米级的软外骨骼，模仿了这种生物系统。 

人工系统设计

研究团队使用双光子聚合技术制造了直径0.8毫米的外骨骼，内部包含电解质溶液，通过离子电活性聚合物肌肉的收缩进行驱动，操作电压为0–1伏特。该外骨骼能够实现可逆弯曲，并与自然实体（如花药、蜘蛛网和花粉颗粒）进行柔顺交互。该技术展示了液体在肌肉化、血管化和神经化中的功能性整合，支持了基于液体实现能量传递和多材料设计的发展，特别是在生物启发的软机器人领域。

▍技术实现

结构设计与制造

通过双光子聚合技术，研究团队设计并制造了一个单材料的外骨骼。该外骨骼的设计考虑到了局部厚度变化，以实现结构适应性的几何调节。内部包含的电解质溶液不仅提供了电荷传输的介质，还通过水化作用增强了外骨骼的柔顺性。此外，电解质溶液能够为离子电活性聚合物肌肉提供所需的离子源，从而实现肌肉的有效激活。

实验演示

实验中，该毫米级软外骨骼展示了其卓越的功能。通过控制电压，外骨骼能够实现精确的弯曲和运动。这种液体驱动的系统不仅能够模仿蜘蛛腿的生物机制，还能与自然环境中的各种元素进行互动，如花药、蜘蛛网和花粉颗粒。实验结果表明，该系统在复杂环境中的应用潜力巨大。

▍实验细节与结果分析

实验设备与材料

为了验证设计的可行性，研究团队进行了详细的实验测试。实验设备包括精密电压控制装置、显微镜观察系统和力学性能测试仪。材料方面，使用了离子电活性聚合物（IEAP）作为主要的驱动材料，电解质溶液采用常见的盐溶液以确保电荷传输的稳定性。

实验方法

实验分为多个步骤进行。首先，制造毫米级软外骨骼并注入电解质溶液。然后，通过显微镜观察系统监测外骨骼的初始状态。接下来，逐步施加电压，观察外骨骼的弯曲和运动情况。最后，通过力学性能测试仪测量外骨骼在不同电压下的力学响应，以评估其运动性能和柔顺性。  

实验结果

实验结果显示，毫米级软外骨骼在0-1伏特的电压范围内能够实现精确的弯曲和运动。具体表现为，随着电压的增加，外骨骼的弯曲角度逐渐增大，并且能够保持较高的重复性和稳定性。此外，力学性能测试结果表明，外骨骼在不同电压下的响应力较为一致，证明其具有良好的力学性能。

在与自然物体互动的实验中，毫米级软外骨骼展示了其卓越的柔顺性和适应性。例如，当与花药接触时，外骨骼能够柔顺地包裹住花药，并在电压控制下实现精细的抓取和释放动作。这一结果表明，毫米级软外骨骼不仅具有优异的运动性能，还能够与复杂的自然环境进行有效互动。

▍讨论

设计优势

该毫米级软外骨骼设计的一个显著优势在于其结构和功能的高度集成。通过液体实现了肌肉系统的整合，使得外骨骼在具备柔顺性的同时，还能够实现高效的运动控制。此外，液体在系统中的多重角色，如水合作用、电荷传输和力学支撑，使得外骨骼能够在多种环境下保持稳定的性能。

技术挑战与解决

尽管取得了一定的成功，研究中依然面临一些技术挑战。首先是液体的封装和密封问题。在毫米尺度下，液体的封装需要极高的精度，以防止泄漏和污染。研究团队通过优化制造工艺和材料选择，成功解决了这一问题。其次是电荷传输的效率。在低电压下实现高效的电荷传输是一个关键挑战。研究团队通过选择合适的电解质溶液和优化电极设计，提高了系统的电荷传输效率。

潜在改进方向

未来的研究可以在多个方面进行改进和优化。例如，可以探索不同类型的电解质溶液，以进一步提高系统的性能。此外，可以尝试将毫米级软外骨骼与其他类型的驱动材料结合，如形状记忆合金或压电材料，以实现更复杂的运动模式和功能。最后，可以通过优化设计和制造工艺，进一步缩小外骨骼的尺寸，以适应更广泛的应用需求。

▍应用前景

生物启发的软机器人 

这种基于液体驱动的毫米级软外骨骼具有广泛的应用前景。首先，在生物启发的软机器人领域，该技术展示了通过液体实现能量传递和多功能集成的潜力。未来的软机器人可以利用这种技术，实现更为复杂和精细的运动和任务执行。

医疗和康复

在医疗和康复领域，软外骨骼可以用于辅助患者的运动功能恢复。其柔顺性和适应性使其能够与人体复杂的结构和运动模式相匹配，从而提供个性化的康复方案。此外，该技术还可以用于开发微创手术工具，通过精细的控制和操作，减少对人体组织的损伤。

微型机器人

毫米级的软外骨骼还可以应用于微型机器人领域。这些微型机器人可以在狭小和复杂的环境中进行探测和操作，如管道检查、医学影像和环境监测等。通过液体驱动和柔顺设计，这些微型机器人能够实现高效和灵活的运动，适应各种任务需求。

▍结论

本文介绍了一种受蜘蛛腿启发的毫米级软外骨骼系统，通过液体实现了肌肉系统的整合，利用水合作用和电荷传输实现了肌肉激活和结构适应。这一技术展示了在生物启发的软机器人领域的重要进展，具有广泛的应用前景，包括医疗、工业自动化和环境监测等领域。

实验结果表明，该毫米级软外骨骼在0-1伏特的电压范围内能够实现精确的弯曲和运动，具有良好的柔顺性和适应性。未来的研究可以进一步优化设计和制造工艺，探索多功能集成和材料创新，以提升软外骨骼的性能和应用范围。

通过不断的创新和发展，毫米级软外骨骼有望在各个领域发挥重要作用，为人类带来更多便利和福祉。