刺激响应型电液神经系统在自主软体机器人中的应用

《Advanced Intelligent Systems》：Stimuli-Responsive Electrofluidic Nervous System for Autonomous Soft Robots

自主可控软机器人系统通过电流体神经系统实现环境感知与运动模式切换，采用多流体开关耦合电活性执行器构建闭环振荡电路，通过温度和触觉传感器动态路由信号序列，成功驱动无微控制器软体机器人实现双向运动及离线自主控制。

　　在当今科技迅猛发展的背景下，软体机器人正逐渐成为研究的热点。这类机器人因其柔软、可变形的特性，能够适应复杂和动态的环境，从而在医疗、搜索救援、环境监测等领域展现出独特的优势。然而，目前大多数软体机器人仍然依赖于传统的半导体电子元件进行感知、信号处理和控制，这在一定程度上限制了其软体结构的优势，并且增加了系统集成的难度。此外，半导体电子元件在极端环境（如辐射、高温或潮湿）中容易发生损坏，同时也会产生电子垃圾，对环境造成负担。因此，开发一种完全基于软材料的电子元件，实现软体机器人的自主感知与控制，成为了一个重要的研究方向。

为了解决上述问题，研究人员提出了一种名为“刺激响应电流体神经网络”（Stimuli-Responsive Electrofluidic Nervous System, SENS）的创新架构。SENS 通过结合软体材料的特性，实现了信号生成、多模态刺激感知以及适应性决策功能，为软体机器人提供了一种全新的控制方式。该系统的核心在于利用电活性致动器驱动流体开关，并通过外部刺激（如力和温度）来调控流体运动，从而改变开关状态。这种设计不仅避免了对传统电子元件的依赖，还提升了软体机器人的自主性和适应性。

SENS 的结构由多个流体开关组成，这些开关被集成在一个类似于生物神经系统的网络中，能够根据环境刺激自动调整电路配置，进而控制多致动器的运动模式。例如，当机器人感受到外部的热刺激时，流体开关会根据刺激信号改变其状态，从而触发特定的运动模式。这种设计模仿了生物体中神经网络的运作机制，使软体机器人能够在没有外部指令的情况下，根据环境变化做出相应的反应。

在实验中，研究团队构建了一个软体爬行机器人，其采用了 SENS 进行控制。该机器人由一个电活性致动器（DEA）和两个电粘附致动器（EA）组成，能够实现方向的改变。实验结果显示，该机器人在接收到触觉和热刺激后，能够迅速调整其运动模式，展现出高度的环境适应能力。此外，研究团队还开发了一种无需连接线缆的软体机器人，该机器人集成了微型 SENS 和内置的恒定电压电源，能够在不依赖外部控制的情况下自主运动。

SENS 的设计不仅在结构上实现了创新，还在功能上具有显著优势。它能够通过流体开关的动态变化，实现多模式的信号生成与切换。例如，在热刺激下，流体开关会因热引起的相变而改变状态，从而改变整个系统的输出信号序列。这种机制使得机器人能够在不依赖外部控制的情况下，实现自主的、适应性的行为。同时，SENS 还能够通过机械刺激感知和流体运动调控，实现多致动器的协同工作，提升机器人的运动灵活性和效率。

在实际应用中，SENS 为软体机器人提供了高度的可扩展性和可定制性。通过调整流体开关的配置和致动器的连接方式，可以实现不同的运动模式，如前进、后退或转向。这种灵活性使得 SENS 在复杂任务中表现出色，例如在狭窄空间中进行自主导航或在恶劣环境中进行作业。此外，SENS 的设计还考虑到了能耗和效率的问题，通过优化流体开关的响应速度和电致动器的性能，使得整个系统能够在较低的电压下稳定运行，从而降低了对高电压电源的依赖。

在实现过程中，研究团队采用了一系列创新的材料和技术。例如，他们使用了硅胶作为流体开关的通道材料，并通过嵌入电极和导电流体段，实现了流体开关的快速响应。同时，为了提高系统的稳定性，他们引入了双稳态传感元件，这些元件能够在外部刺激下保持特定的状态，从而避免信号的误触发。此外，为了减少系统的整体重量和体积，研究团队对 SENS 进行了微型化设计，使其适用于实际应用场景，如医疗机器人或环境监测设备。

SENS 的成功应用不仅为软体机器人提供了新的控制方案，也为未来开发完全软体、无电子元件的自主机器人奠定了基础。这种系统能够实现信号的自启动和持续生成，从而避免了传统控制系统对复杂电子元件的依赖。同时，通过将多模态感知与软体逻辑相结合，SENS 使得机器人能够像生物一样，根据环境变化做出适应性的反应。这种设计在提高机器人自主性的同时，也增强了其在实际应用中的可靠性和安全性。

在实验验证方面，研究团队通过一系列测试，展示了 SENS 在不同刺激条件下的响应能力。例如，在热刺激实验中，当机器人感受到温度变化时，流体开关会迅速调整，从而改变其运动方向。在触觉刺激实验中，机器人能够根据外部压力的变化，自动切换运动模式，实现更加灵活的控制。这些实验结果不仅验证了 SENS 的可行性，也展示了其在复杂环境中的适应性。

SENS 的另一个重要优势在于其对环境的友好性。由于系统完全由软材料构成，其在使用和废弃后能够自然降解，减少对环境的影响。此外，SENS 的设计还考虑到了可持续性问题，通过优化材料选择和系统结构，使得机器人在生命周期结束后能够被安全地回收和处理。这种设计理念符合当前对绿色科技和可持续发展的追求，为未来软体机器人的研发提供了新的思路。

尽管 SENS 在多个方面展现出优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，流体开关的响应速度和稳定性仍需进一步优化，特别是在高频率操作下，流体的流动可能会受到摩擦力的影响，导致信号生成不一致。此外，如何进一步减少系统的重量和体积，以适应更广泛的应用场景，仍然是研究团队需要解决的问题。为此，他们提出了一些改进方案，如选择具有更低表面摩擦的管材，以及通过调整电阻值来控制信号的频率和幅度。

总的来说，SENS 为软体机器人提供了一种全新的控制架构，实现了信号生成、多模态感知和适应性决策的有机统一。这种系统不仅提升了软体机器人的自主性和灵活性，还为开发完全软体、无电子元件的机器人提供了可能。随着材料科学和制造技术的不断进步，SENS 有望在未来成为软体机器人领域的重要组成部分，推动这一领域向更加智能化和可持续化方向发展。