近年来,软体机器人成为机器人技术发展中的重要方向,因其柔软且富有弹性的特性,能够适应复杂多变的环境,应用于医疗、穿戴设备、工业自动化等多个领域。然而,软体机器人对驱动材料的机械性能提出了极高要求,传统的人工肌肉材料在刚度、承载能力及多样化动作控制方面依然存在巨大挑战。多功能磁性肌肉的问世,带来了软体机器人驱动技术的革命性突破。多功能磁性肌肉是一种基于相变聚合物和磁性粒子复合而成的先进材料,其拥有极宽广的可调刚度范围,强大的负载能力,以及多种变形执行模式,包括伸长、收缩、弯曲和扭转,极大提升了软体机器人的自由度和表现力。 这种磁性复合肌肉的设计巧妙地将相变聚合物的热响应特性与纳米级钕铁硼(NdFeB)磁性微粒的磁响应能力融合,形成具有双网络结构的复合体系。其基本工作模式是通过远程激光加热引发聚合物相态变化,进而实现从柔软态向刚性态的迅速切换,刚度切换比达到惊人的2700倍以上。
在高刚度模式下,材料能够承受超高机械应力,表现出优异的负载能力,远超传统软材料。相反,在加热软化状态,材料具备超过800% 的拉伸率,具备极佳的柔韧性和适应形变的能力,为复杂多自由度的软体机器人动作创造了可能。 磁性粒子的均匀分布确保了复合材料具备优秀的磁响应特性,使得材料可以在外部磁场的无接触作用下实现高效精准的驱动。通过精确调控外部磁场的强度和方向,可实现对软体机器人多个运动模式的编程控制,如灵巧抓取、精准伸展及复杂的定位动作。磁性复合肌肉不仅能实现单一动作的驱动,更具备在同一组件上完成多模式驱动的能力,有效提升软体机器人的功能整合度和运动协调性。 从材料微观结构来看,镀覆有烷基硅烷的NdFeB颗粒与聚合物基体中的长链烷基分子形成了稳定的物理交联网络,增强了材料的机械韧性和形状记忆性能。
聚合物的结晶与非晶相转换过程实现了刚柔态的可逆切换,配合磁性粒子的热致光热效应,使材料在激光照射下快速响应并完成状态调节。该复合体系在经过反复循环后仍保持优良的性能稳定性,显示出极佳的耐久性和可重复使用性,为软体机器人长时工作提供了可靠保障。 为了进一步提升材料的综合性能,研究团队开发了双相复合结构,通过向原始磁性复合体系引入亲水性聚合物网络,实现了能量耗散能力和阻尼特性的显著提升。相较于单相体系,双相体系材料表现出更高的抗疲劳性和超过700% 的拉伸断裂强度,实现了高阻尼比的振动抑制效果,显著减少机器人动作过程中的机械震动,提升控制精度和响应稳定性。这一创新使软体机器人能够在高速运转和复杂任务执行时,保持动作的平稳与灵活。 通过模具成型与磁化处理,研究团队制造出多指手部形态的软体机器人模型,证明该磁性肌肉材料在柔性机器人末端执行器中的应用潜力。
利用远程激光定位加热和磁场调控,该机器人手能够自主完成从抓握物体到物体搬运的系列动作,高效完成任务同时实现动作的快速切换与稳定锁定。机器人手具备在刚性状态下承载超过自身千倍重量的负载能力,变形状态下还能保持完整结构,显示出高度的机械适应性和可靠性。 更大规模的连续式软体机器人展示了集成多层复合材料所带来的综合优势。机器人的手臂部分采用双层复合结构,兼顾了快速磁响应和高阻尼性,达到快速动作和振动抑制的最佳平衡。末端的多指手部采用高磁响应单层复合材料,以确保灵敏的抓取动作。通过激光局部加热与磁场方向调控,机器人能够完成抓握、伸展、弯曲及精准放置等复杂任务,且动作连续流畅,无明显振动干扰。
操作温度和加热功率的精细调节,则保障材料性能最佳表现和机器人的安全稳定运行。 磁性复合肌肉具备极高的能量效率和功率密度,工作效率达到90%以上,工作密度约为129.5 kJ/m³,处于现有软体人工肌肉材料的中高水平。虽然其最大工作密度受限于软态下材料较低的承载力,但其极高拉伸性能有效补偿了这一不足,使其在伸长变形过程中依然能完成大量机械功输出。未来的技术迭代可优化软硬态切换速度和功率利用率,进一步提升软体机器人整体性能。 这种磁性复合肌肉技术的应用前景十分广阔,尤其适合在磁场可控的封闭或受限环境中发挥作用。生物医学领域可利用其高柔性和远程可控特性,开发微型手术器械、可变刚度的导管及智能支架等。
随着对复合材料生物相容性及远程加热技术的改进,未来磁性肌肉驱动的医疗器械将在精准微创操作和组织工程中展现巨大潜力。工业制造领域亦可利用其精准的可控运动及刚度调节能力,促进高精度组装、柔性抓取和多自由度操作的发展。在仿生机器人领域,这种多功能磁性肌肉可设计成类人手或软体动物形态,提升机器人在复杂环境中的适应和操作能力。 目前磁性复合肌肉的制造工艺仍以热固化模具成型为主,未来结合3D打印等先进制造技术,将可能实现更复杂结构和更大规模的生产,同时结合多传感器技术实现智能反馈和自适应控制。通过实现软硬件的深度融合,磁性肌肉驱动软体机器人将在医疗康复、智能制造、探索救援及虚拟现实等多个领域掀起新的技术浪潮。 综上,多功能磁性肌肉作为软体机器人驱动技术的前沿创新,为解决软体驱动材料承载能力低、响应速度慢和动作单一等难题提供了全新思路。
其独特的可逆刚度调节、优异的机械性能及灵活的磁控能力,使软体机器人具备更强的任务执行能力和环境适应性,推动机器人技术迈入更加智能和多样化的新时代。随着材料科学、控制技术及制造工艺的不断进步,基于磁性复合肌肉的软体机器人必将在更广泛的实际场景中得到应用,成为未来智能机器人系统的重要组成部分。 。
