湿度驱动型连续滚动纸基机器人(Paperbot)的仿生设计与性能研究

研究人员针对湿度驱动软体执行器材料制备复杂、运动模式单一等问题，通过铅笔绘图和折纸技术开发出仿千足虫的纸基执行器Paperbot。该执行器在≥60%RH湿度下可实现6.3cm连续滚动（8mm/s），耐受95°C高温，并能编程四种运动模式，为无线轻量化机器人提供了简易制备方案。

　　

在环境响应型软体机器人领域，湿度驱动执行器因其无需外部电源、轻量化和生物相容性等优势，在医疗、电子和机器人领域展现出巨大潜力。然而现有技术面临两大瓶颈：一是依赖复杂材料制备工艺（如石墨烯过滤组装），二是运动模式局限于简单弯曲。更棘手的是，非晶态聚合物区域会导致运动不可控，而二维纳米材料（如石墨烯氧化物）的分散对齐工艺也极大提高了制备门槛。

马来西亚彭亨大学的研究团队独辟蹊径，从千足虫运动机制中获得灵感，开发出名为Paperbot的革命性纸基执行器。这项发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》的研究，通过最普通的铅笔绘图和折纸技术，实现了湿度驱动下的连续滚动运动。研究人员采用商业纤维素纸为基体，用不同硬度铅笔（B-8B）绘制石墨图案作为活性材料，双向拉伸聚丙烯(BOPP)胶带作为支撑材料，通过精确控制头、体、尾三段的折纸结构，使执行器在≥60%RH湿度下产生可控形变。

关键技术包括：1）建立头/体/尾长度比调控模型；2）石墨图案梯度设计实现湿度响应差异；3）BOPP胶带增强扭矩输出；4）折纸结构优化运动协调性。研究结果显示，Paperbot在99%RH湿度、95°C环境下展现出卓越性能：滚动距离达6.3cm，速度8mm/s，可攀爬63°斜坡，并能通过图案编程实现4种独特抛射运动。耐久性测试表明，经过300次弯曲-伸直循环后仍保持机械稳定性。

在"制备执行器"部分，研究团队揭示了石墨硬度梯度与湿度响应速度的定量关系，7B铅笔图案区域表现出最优的吸湿膨胀率。"软体执行器制备"章节详细论证了纤维素纸厚度/面积比对水分扩散速率的调控机制，发现0.1mm厚度纸基在30秒内即可完成湿度响应。"结论"部分强调，这种将折纸艺术与图案化执行器相结合的设计策略，为开发低成本、可编程的环境响应机器人提供了新范式。

该研究的突破性在于：首次在湿度驱动执行器中实现头-体-尾分段控制，解决了传统设计运动方向不可控的难题；通过普通文具材料替代专业化学品，使制备成本降低90%以上；提出的图案化编程方法为软体机器人运动学设计开辟了新途径。正如通讯作者Zulhelmi Ismail指出，这项技术特别适用于需要轻量化、无线操作的医疗微型机器人场景，例如靶向药物递送系统。研究团队正在探索将石墨电极集成到Paperbot中，以增加其作为生物传感器的功能维度。