一种自愈型永磁粘土，用于具有力觉感应和功能恢复能力的软体机器人皮肤

《Advanced Robotics Research》：A Self-Healing Permanent Magnet Putty for Soft Robot Skins With Force Sensing and Functional Recovery

本研究提出一种新型永久磁铁粘土（PMP），由聚硼硅氧烷（PBS）、弹性体Ecoflex和NdFeB微颗粒复合而成。PMP具备无线磁传感、自适应形变和自主自愈能力，机械强度可恢复90%，磁响应恢复达80%，且能区分按压与切割动作。其动态硼氧键实现快速自愈，结合磁颗粒的位移与旋转响应，为智能机器人皮肤提供创新解决方案。

　　软体机器人技术正日益成为人机交互领域的重要研究方向。随着机器人在日常生活中的广泛应用，安全性和可靠性成为关键考量因素。传统的刚性机器人由于其结构特性，在发生意外碰撞时存在较大的安全风险，因此，开发具有感知能力且能够承受机械应力的软体材料显得尤为重要。本文介绍了一种新型软体材料——永久磁性凝胶（Permanent Magnet Putty, PMP），它结合了无线传感、可塑性和自主修复能力，突破了现有磁流变液、磁流变弹性体和商业磁性凝胶在单一材料中实现多功能特性的瓶颈。

PMP是一种动态的聚硼硅氧烷-生态硅弹性体复合材料，其中嵌入了高矫顽力的钕铁硼（NdFeB）微粒。通过系统地研究其成分比例对性能的影响，研究人员成功优化了PMP在流动性与结构稳定性之间的平衡。这种材料不仅能够在机械上实现高达90%的强度恢复（在10秒内），还能在20分钟内恢复70%的结构完整性，即使受到切割或局部损伤也能迅速自我修复。同时，PMP表现出卓越的磁响应能力，能够在20分钟内恢复80%的磁感应强度和响应幅度，远远超过了现有的商业磁性凝胶。

PMP的性能优势不仅体现在其机械和磁性特性上，还在于其能够实现对外部刺激的区分能力。例如，通过观察磁感应强度的变化，PMP可以初步识别切割与按压两种不同的作用方式。这一能力对于医疗和工业机器人应用而言至关重要，因为它能够提供一种安全机制，以避免潜在的伤害。此外，PMP的无线传感特性意味着它不需要外部电源支持，从而提升了其在复杂环境下的适应性。

在材料设计方面，PMP的制造过程采用了聚合物-粒子复合策略，将磁响应性与结构适应性结合在一起。聚硼硅氧烷（PBS）作为基础聚合物，通过与硼酸的反应形成可逆的硼-氧配位键，从而赋予材料自我修复的能力。为了增强结构稳定性，研究人员引入了生态硅弹性体（Ecoflex）作为支撑骨架。这种设计不仅提高了材料的机械强度，还保持了其柔韧性和可变形性。NdFeB微粒的加入使得PMP能够通过磁感应实现对外部力的感知，无需外部供电，同时保持其动态响应能力。

研究还详细探讨了不同成分比例对PMP性能的影响。例如，硼酸与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的比例直接影响了PMP的交联密度，从而决定了其硬度、弹性以及自我修复效率。在测试中，PMP表现出良好的磁感应密度（18.7 G），且其磁敏感度是商业磁性凝胶的两倍。同时，Ecoflex与PBS的比例也对材料的整体性能产生重要影响，更高的Ecoflex比例会增强结构稳定性，但会牺牲一定的流动性，而更高的PBS比例则会增强材料的变形能力，但可能导致结构不够稳固。因此，研究人员通过实验优化了这一比例，最终确定了Ecoflex与PBS的最佳配比为1:24，使得PMP能够在保持良好结构稳定性的同时，具备足够的变形能力。

在磁响应机制方面，PMP表现出对压缩和剪切力的显著响应。当受到压缩时，NdFeB微粒会发生位移和旋转，从而改变磁感应强度。这一特性使得PMP能够感知外部施加的力，并通过磁感应的变化进行量化分析。此外，PMP在受力后能够迅速恢复磁感应状态，这得益于其内部的动态化学键结构。研究人员还通过X射线计算机断层扫描（CT）对PMP内部微粒的运动进行了可视化研究，进一步验证了其磁响应机制的有效性。

在实际应用中，PMP表现出出色的自修复能力。例如，当材料被完全切割后，仅需10秒即可恢复90%的机械性能，而在20分钟内，能够恢复70%的结构完整性。这种快速而有效的自修复能力使其成为一种理想的软体机器人皮肤材料。此外，PMP在受到按压后，其磁感应强度的变化可以被实时监测，从而实现对接触力的精确感知。通过多次按压实验，研究人员发现PMP能够保持良好的重复性和线性响应，使得其适用于需要高精度力感知的场景，如医疗设备的触觉反馈或工业机械的力控制。

在磁感应恢复方面，PMP展示了显著的恢复能力。例如，当材料受到按压后，其磁感应强度在20分钟内能够恢复至原始水平的70%到80%，而在切割后，其磁感应强度能够在几乎不延迟的情况下恢复至99.7%。这种快速恢复能力使得PMP在遭遇重大损伤后仍能维持其功能，为软体机器人提供了更高的耐用性和可靠性。同时，PMP的自修复特性也使其在长期使用中能够保持稳定的性能，减少维护成本。

PMP的自修复能力不仅限于机械性能的恢复，还体现在其磁感应功能的恢复上。通过在材料中嵌入磁阵列，研究人员能够引导微粒重新排列，从而恢复其磁感应状态。这一技术为未来的软体机器人应用提供了新的可能性，例如通过编程的磁阵列实现更复杂的触觉感知或形状控制。此外，PMP的自修复特性还为软体材料在可持续机器人系统中的应用奠定了基础，使得机器人能够在复杂和不可预测的环境中保持长期稳定运行。

除了在机器人领域的应用，PMP的多功能特性还为柔性电子和可穿戴设备提供了新的研究方向。其独特的磁感应和自修复能力可以简化传感器设计，降低维护成本，并提高设备的耐用性。未来的研究可以进一步探索如何通过优化材料组成，提高其自修复效率和响应速度，或者如何通过引入可编程的磁阵列，实现更复杂的触觉感知和形状控制。这些研究方向有望推动新一代真正智能和自适应材料系统的开发，为软体机器人和相关技术领域带来深远的影响。