《Nano-Micro Letters》：Fuel-Powered Soft Actuators: Emerging Strategies for Autonomous and Miniaturized Robots
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本综述系统阐述了燃料驱动软体致动器将化学能（如H2、H2O2、CH3OH）通过电子转移诱导电荷注入、聚合物结构变化（如PPy、PANI）、燃料燃烧产热（如SMA、LCE）或燃料诱导气动等方式转化为机械能的新机制。文章重点探讨了其在实现长时程、微型化自主机器人（如手术机器人、药物递送纳米穿梭机）应用中的高能量密度优势与生物相容性挑战，为未来软体机器人脱离电缆束缚提供了多路径解决方案。
引言：软体致动器的能源挑战与燃料驱动解决方案
软体致动器能够在外界刺激下产生机械功，在医疗机器人（如微创手术工具）和智能仿生系统（如扑翼飞行器）领域展现出广阔前景。然而，传统的液压或电刺激驱动方式往往需要缆线连接或大型电池，限制了其在自主、紧凑或长距离作业环境中的应用。燃料的能量密度远超锂离子电池，成为解决这一难题的有效途径。燃料驱动软体致动器通过将燃料化学能直接或间接转化为机械能，为空间探索、海洋勘探等需要持续运动的场景提供了自持运作可能。
燃料驱动的人工肌肉：电荷转移诱导驱动
受生物骨骼肌利用三磷酸腺苷（ATP）实现高效驱动的启发，研究人员开发了电化学致动器和电活性聚合物（EAP）。其中，燃料驱动的化学肌肉可作为燃料电池电极产生电位，通过催化燃料反应实现电荷的电容性存储与注入，从而引起致动器体积变化。
双室与单室燃料电池肌肉
Baughman团队率先报道了以H2为燃料的碳纳米管（CNT）薄膜人工肌肉。双室结构将氢氧化膜电极（2H2→4H++4e-）和氧还原电极（O2+4H++4e-→2H2O）通过1M H2SO4溶液离子连接，在开路时CNT片电极电位升至0.8V，吸附SO42-离子导致偏转，短路时则发生反向运动。该设计反应效率高，但需复杂的密封部件。单室设计则无需离子交换膜，如以H2O2为燃料的螺旋CNT纱线肌肉，通过Fe3[Co(CN)6]2催化剂催化分解，在20秒内实现4%的可逆收缩行程，但钴氰化物催化剂存在生物毒性风险。
氧化还原反应诱导聚合物结构变化
导电聚合物（CP）如聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）可在燃料引发的氧化还原反应中发生离子嵌入/脱嵌，导致聚合物链构象改变和宏观变形。例如，固态氢氧系统利用PANI纤维在交替通入H2和O2时实现3.8%的可逆收缩。生物燃料驱动方面，葡萄糖氧化酶（GOx）和漆酶构成的多层异质结构致动器可在生理液体中自主弯曲，而空间梯度酶界面设计更使PPy致动器在葡萄糖溶液中产生5Hz的自激振荡运动，模拟生物蠕动功能。
燃料驱动热致动器
燃料反应释放的热能可驱动形状记忆合金（SMA）和液晶弹性体（LCE）等热敏材料。Pt催化剂涂层的镍钛（NiTi）合金丝在H2、CH3OH或HCOOH燃烧产热下，可实现5%的收缩应变。仿生水母机器人利用Pt/CNT复合涂层SMA，在0.1Hz频率下使钟形罩变形13.5%。微型机器人领域，88mg的RoBeetle采用甲醇催化燃烧驱动SMA丝，通过微阀调控燃料供给形成自调节反馈，负载能力达自重2.61倍。而7mg的微型催化燃烧发动机通过Pt/碳纤维复合结构，将频率提升至6Hz，功率密度达39.5μW mg-1。
燃料驱动气动致动器
燃料燃烧或分解产生的高压气体可直接用于软体机器人的跳跃或驱动。3D打印的刚性碳化硅陶瓷燃烧室与柔性硅胶外壳结合，通过丁烷/氧气混合气点燃实现0.76m的跳跃高度。甲烷驱动微型致动器线性应变达140%，频率超100Hz，峰值功率密度277.2kW kg-1，使1.6g四足机器人实现59cm垂直跳跃。为规避高温与有害副产物，过氧化氢（H2O2）分解驱动完全软体机器人Octobot，利用微流控逻辑自主控制催化反应产气。可逆电化学气动电池（EPB）则通过锌空气电池充放电过程吸放O2，实现-1至7bar的压力调控。热电器件编程化学反应系统可产生近6MPa压力，驱动人工肌肉实现25%行程。
气泡推进的微型机器人
燃料化学反应产生的气泡可为药物递送纳米穿梭机提供动力。Pt催化H2O2分解的纳米穿梭机可携带聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）颗粒和脂质体，运输速度比布朗运动快三个数量级。为提升生物相容性，酶基Janus马达采用葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化氢酶（CAT）修饰的CNT纤维，实现可编程运动轨迹。镁基微马达在胃酸中反应产生氢气推进的同时中和酸性，实现药物在最佳pH下精准释放。
结论与展望
燃料驱动软体致动器在能量密度和功能多样性上优势显著，但仍面临能量转换效率、生物安全性及定向控制等挑战。未来研究需聚焦高效纳米催化剂开发、固态电解质应用、热管理优化及生物友好型燃料系统创新，以推动其在医疗介入、救援任务等领域的实用化进程。
