微通道结构优化的液态金属软体电磁驱动器在柔性机器人中的高性能驱动研究

针对液态金属软体电磁驱动器(LM-SEMA)驱动性能提升的难题，研究人员通过优化矩形螺旋线圈微通道结构，结合力学与电磁特性仿真分析，开发出兼具高驱动力(89 mN@3.0 A)与大弯曲角度(110°@3 Hz)的驱动器。该成果突破了传统驱动器旋转角度与驱动力难以协同提升的限制，为医疗机器人、仿生设备等柔性应用提供了创新解决方案。

　　

在机器人技术向柔性化发展的浪潮中，传统刚性驱动器因无法适应复杂环境而面临瓶颈。液态金属(LM)因其独特的导电性(3.6×10⁶ S/m)和流体特性成为研究热点，但现有驱动技术普遍依赖酸碱环境去除氧化层，存在生物相容性差、控制精度低等缺陷。更棘手的是，当前液态金属电磁驱动器面临"大角度"与"高驱动力"难以兼得的矛盾——Chen等开发的U型线圈驱动器虽实现110°弯曲，驱动力仅0.76 mN；而Mao的多匝矩形线圈驱动力达40 mN时，弯曲角度却限制在70°。这种性能失衡严重制约了其在精密医疗、工业检测等领域的应用。

针对这一难题，广西大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表创新成果。他们设计了一种集成宽度优化矩形螺旋线圈的液态金属软体电磁驱动器(LM-SEMA)，通过微通道结构创新和尺寸优化，实现了驱动力与弯曲角度的协同突破。研究采用Ecoflex 00-30弹性体包裹镓铟合金(EGaIn)线圈，结合有限元仿真与力学建模，系统分析了线圈尺寸对驱动性能的影响规律。关键技术包括：微流道浇铸成型工艺、基于NdFeB永磁体(N45)的磁场构建、洛伦兹力(F=∫Idl×B)定量计算体系，以及纯弯曲梁理论模型(θ=6F(y-a)²/Ehx³)指导的结构优化。

材料与制备
通过分层浇铸法构建三层微流道结构，关键创新在于采用宽度梯度变化的矩形螺旋设计。实验测得EGaIn在25℃下密度6.25 g/mL，导电性优于常规柔性导体，为高性能驱动奠定基础。

几何尺寸设计
基于梁弯曲理论建立的数学模型显示，驱动性能与线圈厚度(h)呈反比，与宽度(x)立方成反比。通过参数优化使3.0 A电流下产生89 mN洛伦兹力，较同类研究提升122%。

驱动性能验证
在100 mm半径NdFeB磁场中，驱动器实现三大突破：(1)低频响应优势：3 Hz电流下达成110°弯曲，优于Peter等报道的40°；(2)循环稳定性：1000次循环后性能衰减<5%；(3)多功能验证：开发的柔性夹持器可抓取不同形状物体，仿生鱼游速达同类最优。

该研究通过微流道结构创新和电磁-力学耦合优化，首次在液态金属驱动器中实现"高力-大角度"协同提升。其意义在于：(1)提出宽度梯度螺旋线圈新构型，突破传统设计性能瓶颈；(2)建立纯弯曲梁理论指导的尺寸优化方法，为柔性驱动器设计提供普适框架；(3)展示的医疗夹持、仿生游泳等应用，验证了其在微创手术、环境探测等场景的潜力。特别是驱动器在生理环境中的稳定表现(1000次循环无衰减)，为未来生物医学应用铺平道路。