南开大学刘遵峰教授团队《Mater. Horiz.》：集体感、负重和多地形爬行等功能于一体的软体爬行机器人

人类手臂的弯曲运动离不开肌肉、骨骼、本体感知器官和大脑的相互配合。具体来说，这一弯曲运动过程如下：首先大脑发送一个电信号通过神经传递到肌肉，肌肉收缩并带动骨骼弯曲。同时，位于肌肉和骨骼之间的本体感受器官会感知手臂的弯曲程度信息并将其传递到大脑。当手臂弯曲到一定程度时，大脑就会向肌肉发出“停止弯曲”的指令，此时肌肉停止收缩，手臂也会停止弯曲。模仿人类手臂的组成和手臂弯曲原理，可以为设计多功能软体爬行机器人提供灵感。

最近，南开大学化学学院刘遵峰教授团队，通过模仿人类手臂的组成和手臂的弯曲机制，开发出一种集体感、负重和多地形爬行等多种功能于一体的新型软体爬行机器人。首先，一种被碳纳米管纱线缠绕着的弹簧型尼龙6纤维作为机器人的肌肉；非对称弓形聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为机器人的骨骼；在PET薄膜上涂抹的石墨烯、单壁碳纳米管(SWNT)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的混合物用作应变传感器作为机器人的躯体感受器官。其中，弹簧型肌肉能为软体爬行机器人的爬行提供动力，PET骨骼有利于机器人负重和爬行，应变传感器能感知机器人的躯体形变。同时，模仿人类手臂弯曲机制，当给弹簧型肌肉通电加热时，肌肉就会收缩，从而带动机器人躯体弯曲。此外，我们还设计了一种控制器，它能根据应变传感器电阻的大小来控制肌肉加热电路的通断，从而实现了软体机器人的自动爬行。

图1 软体机器人的驱动原理和结构

这种新型软体爬行机器人不但能承载其自身重量17倍的物体爬行，还能在平地，山地和水下等多种地形中爬行。这项研究为多功能软体爬行机器人提供了一种新的设计策略，促进了软体机器人领域的发展。

本研究在国家自然科学基金、天津市自然科学基金和南开大学相关计划等资助下完成，成果发表于国际权威期刊Materials Horizons上。南开大学化学学院刘遵峰教授为该文章的通讯作者，博士生刘中胜为第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1MH00125F

课题组网站：

https://liuzunfeng.nankai.edu.cn/

来源：高分子科学前沿

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