基于射频频率选择性驱动的液晶弹性体软体机器人无线致动平台

研究人员针对无线软体机器人在非视距场景下的致动难题，开发了基于2.40 GHz频段的射频驱动系统。通过设计低相变温度液晶弹性体（LCE）与液态金属（LM）谐振结构，结合多天线波束成形技术，实现了对运动中被遮挡机器人的选择性驱动。该工作发表于《Nature Communications》，为封闭环境下的无线软体机器人控制提供了新范式。

　　

在软体机器人领域，如何实现非视距环境下的精准无线驱动一直是重大挑战。传统方法如磁驱动需毫米级近距离操作，光驱动依赖直线传播路径，而现有射频驱动系统存在功率高（>100 W）、响应慢（>60秒）等问题。更关键的是，多执行器协同控制受限于射频波长，难以实现结构化协调运动。

卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出名为RFact的创新平台。该系统通过三重设计突破：首先开发了相变温度（T_ni）可调（24-75°C）的液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer, LCE），采用双酚A乙氧基二丙烯酸酯（Bisphenol-512）掺杂RM257单体，通过削弱π-π堆叠作用将激活温度降至53°C；其次设计3D打印的共晶镓铟（EGaln）液态金属谐振结构，通过调节迹线长度（35-65 mm）、间距（0.44-0.5 mm）和粗糙度实现2.35-2.5 GHz频率选择性加热；最后开发频率感知波束成形算法，通过LED能量收集器反馈实现30cm工作范围内的精准能量聚焦。

关键技术包括：1）低T_ni LCE的化学合成与力学表征；2）LM-Ag-SIS（银-液态金属-苯乙烯异戊二烯苯乙烯）导电油墨的直写印刷与射频响应测试；3）六天线分布式波束成形系统（60W总功率）的相位提升（PhaseLift）算法实现。

【材料表征】

通过差示扫描量热法（DSC）证实，17% Bisphenol-512掺杂使LCE相变峰从75°C降至24°C。动态力学分析（DMA）显示5%掺杂样品在53°C时储能模量下降90%，而纯RM257样品需达70°C。应力-温度曲线表明改性LCE在60°C时应力输出是传统材料的2倍，500次循环后仍保持350 MPa应力输出。

【射频执行器设计】

65mm长导电迹线在2.37 GHz共振时30秒升温至45°C。喷嘴高度500μm的印刷配置使表面粗糙度增加，在2.39 GHz实现80°C升温。循环测试显示执行器可承受548次加热-冷却循环，断裂后液态金属可自主修复裂缝。

【波束成形驱动】

在30×20×20 cm³法拉第笼内，系统通过频率切换实现双执行器机器人的选择性驱动。跳跃机器人（45g）通过LCE收缩储能（70秒加热至120°C）实现6cm弹跳；爬行机器人通过2.36/2.40 GHz交替驱动双执行器，每90秒完成1.5cm步进；管道爬行机器人展示了对5mm厚塑料障碍物的穿透能力。

该研究首创性地将射频选择性与空间波束成形结合，突破了无线软体机器人的环境适应性限制。低T_ni LCE配方将驱动能耗降低50%，而频率选择性设计实现了100MHz级致动精度，为体内医疗机器人等封闭场景应用奠定基础。未来通过优化天线阵列设计，有望在合规前提下取消法拉第笼限制，推动该技术走向实用化。