仿生弹性电磁驱动机制助力昆虫尺度软体机器人实现自主运动

针对小型自主软体机器人缺乏肌肉般高效驱动的问题，研究人员开发了弹性电磁(EEM)驱动机制，通过弹性结构与磁力平衡模拟肌肉收缩特性。该机制在<4V电压下实现210 N/kg输出力、60%收缩比和60Hz响应频率，并具有双稳态节能特性。基于此研制的昆虫尺度机器人可自主完成爬行、游泳和跳跃等复杂运动，为灾害救援和环境监测提供了创新解决方案。

　　

自然界中，昆虫凭借精妙的肌肉系统展现出惊人的运动能力——跳蚤能跳跃超过自身身高100倍的高度，蚂蚁可搬运比体重重50倍的物体。这些卓越性能源于生物肌肉独特的力-形变特性：既能产生高达20倍体重的输出力(F_output)，又能实现10-30%的收缩比(contraction ratio)。然而，当前厘米级自主机器人仍依赖传统刚性电机，面临摩擦损耗大、抗冲击差等瓶颈；而基于智能材料的人工肌肉又往往需要高压、强场等苛刻驱动条件，严重制约了微型机器人的环境适应能力。

针对这一挑战，西湖大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，受肌肉收缩机制启发，开发出弹性电磁(EEM)驱动系统。该系统通过巧妙平衡磁吸引力(F_em)与弹性恢复力(F_e)，在昆虫尺度(<4cm)实现了媲美生物肌肉的210 N/kg比力输出和60%收缩比，同时具备60Hz高频响应和<4V低压驱动的特性。更突破性的是，其双稳态设计模仿软体动物的"锁定肌"(catch muscle)机制，仅需6ms电流脉冲即可维持稳定状态，使1Hz运动时的功耗低至38mW，为同尺度机器人的1/20。

研究采用多学科交叉方法：通过遗传算法(GA)优化弹性结构力-位移曲线，结合有限元分析实现双/三稳态设计；利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)浇铸工艺集成NdFeB永磁体与纯铁软磁球；采用高精度绕线技术制作毫米级电磁线圈(Φ0.06mm铜线)；通过红外热成像(HIKMICRO HM-TPK20-3AQF/W)监测热稳定性。特别构建了包含30mAh锂电、控制电路的自主系统，在开放环境中测试机器人性能。

【核心发现】

1. 力-形变调控机制：系统通过电流调节磁力(F_em=静态磁力+F_Lorentz)或结构设计改变弹性力(F_e)，实现三种工作模式：连续形变(位移5mm)、双稳态跳跃(释放动量0.52×10^-3kg·m/s)和三稳态锁定。其中双稳态马达在1.6A电流下产生48倍自重(0.38N)的推力，经400万次循环后仍保持性能稳定。

2. 仿生运动转化：创新性将弹性结构同时设计为柔性铰链(flexure linkage)，构建平移关节(收缩比49%)和旋转关节(偏转65°)。这种类肌肉-骨骼的集成设计，使16mm爬行机器人实现35%步幅，在玻璃(5μm)、石材(650.4μm)等不同粗糙度表面均保持0.41N输出力，30米跌落无损伤。

3. 多环境适应性：19mm游泳机器人利用非对称拍动(upstroke:downstroke=9:1)实现6.2cm/s速度，运输成本(COT)比现有系统降低8倍；15mm跳跃机器人首次在自主模式下实现连续弹跳。集成温湿度/乙醇传感器后，机器人成功完成密闭空间环境监测演示。

这项研究突破了传统电磁驱动器依赖连续电流的局限，通过"结构赋能"策略将电磁系统拓展至软体机器人领域。其核心创新在于：利用静态磁相互作用延长有效力程，相比洛伦兹力驱动系统提升20倍出力；通过弹性结构的多稳态设计实现毫秒级能量释放，解决了小型机器人瞬时功率不足的难题。研究团队证实，该EEM机制可缩放至毫米级(0.43mW@1Hz)和分米级(27N输出)，为从微创医疗到灾害救援的广泛应用提供了通用化驱动平台。未来通过优化热管理(120°C临界温度)和嵌入自适应控制，有望进一步发展出可应对复杂环境的智能机器人集群。