《Gels》：SiC Nanowire–Granule Aerogels with Zero- and One-Dimensional Configuration via Precursor Infiltration–Gelation and Pyrolysis
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软体爬行机器人具有高柔顺性、大变形能力以及对复杂非结构化环境的适应性，这些特性使其在微型检测系统、生物医学应用、智能制造以及极端环境作业中具有广阔前景。传统刚性机器人依赖复杂的机械结构和多自由度关节，而软体机器人主要通过智能材料的受控变形实现驱动与运动。薄膜材
软体爬行机器人具有高柔顺性、大变形能力以及对复杂非结构化环境的适应性，这些特性使其在微型检测系统、生物医学应用、智能制造以及极端环境作业中具有广阔前景。传统刚性机器人依赖复杂的机械结构和多自由度关节，而软体机器人主要通过智能材料的受控变形实现驱动与运动。薄膜材料和凝胶基材料（如水凝胶和离子凝胶）因其低质量、高柔性、大应变能力及易于集成等特点而尤为引人关注。通过功能化改性（包括引入特定官能团），可实现材料对电、热、光、磁及湿度等刺激的响应。因此，这些材料正成为下一代软体爬行机器人的关键功能部件。本综述考察了由薄膜和凝胶材料驱动的软体爬行机器人的最新进展。主要智能材料按驱动机制分为介电弹性体致动器（DEAs）、液晶弹性体（LCEs）、磁活性弹性体（MAEs）、离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）、水凝胶和形状记忆聚合物（SMPs）。综述分析了各类材料的驱动机制、力学性能及应用场景，并从变形能力、力输出、响应时间、能量需求、耐久性、制造复杂度、机器人集成与微型化、运动控制、环境适应性和功能多样性等方面对各材料体系进行了比较。本综述还识别了与材料稳定性、循环耐久性、电学与热学需求、脱水、外场依赖性、界面可靠性、制造可重复性及规模化生产相关的主要挑战。多材料集成、混合驱动、智能制造、自感知和闭环控制等方面的进展有望提升系统集成度、适应性、自主性和多功能性。
主体内容总结
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引言
软体机器人采用弹性体、聚合物等柔性功能材料产生连续变形，其材料和结构的内在柔顺性能够适应外部几何约束，并实现与人类和环境的安全交互。爬行已成为软体移动机器人领域的重要研究方向，其运动依赖于周期性、连续的身体变形，通过摩擦不对称、锚定、粘附或动态环境接触将往复变形转化为单向净位移。智能材料能够响应电场、磁场、热、光、湿度或化学环境，直接产生伸长、收缩、弯曲、扭转等可编程变形，从而减少复杂机械传动的需求。本综述聚焦于六种代表性薄膜和凝胶基致动器系统，包括介电弹性体致动器（DEAs）、液晶弹性体（LCEs）、磁活性弹性体（MAEs）、离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）、水凝胶和形状记忆聚合物（SMPs），重点分析其驱动机制、制造方法、致动器构型及爬行应用，并探讨材料特性、致动器变形、地面相互作用与机器人整体运动性能之间的关系。
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薄膜基软体爬行机器人
2.1. 介电弹性体：电场响应软体致动器
介电弹性体致动器（DEA）采用三明治结构，由介电弹性体薄膜和两侧柔性电极组成。施加电压时，电极间静电吸引压缩薄膜厚度，由于材料近似不可压缩，厚度压缩导致面内扩张；撤去电压后，材料弹性和外部机械约束使致动器恢复原始构型。DEA直接将电能转化为机械运动，兼具大可逆变形、柔顺性和快速响应。然而，传统DEA通常需要千伏级高电压，增加了绝缘、电气安全及高压电源电子学的要求，局部缺陷或厚度不均匀可能引发介电击穿。在薄膜制造方面，VHB薄膜通常进行单轴或双轴预拉伸，硅橡胶、聚氨酯等液态前驱体可通过旋涂、刮涂、喷涂、浇铸或模压成型。结构约束可形成平面、鞍形、圆柱形和锥形等致动器几何构型。平面DEA结构简单，主要利用预张紧薄膜的面内扩张或面外振动；鞍形致动器主要产生弯曲；锥形和圆柱形致动器主要产生轴向伸缩。在爬行应用方面，平面DEA机器人通过共振激励产生不同振动模式，结合倾斜柔性刚毛脚的异步弯曲、离地和恢复，将高频薄膜振动转化为定向位移，最大速度达29.3 mm s-1。鞍形DEA结合独立控制的静电粘附脚，通过周期性身体变形与前后脚交替附着和脱离的协调，产生尺蠖式运动，在27 Hz下达到79.55 mm s-1，并可水平爬行、垂直攀爬和倒置运动。圆柱形DEA集成两端柔性刚毛，通过刚毛与管壁的不对称摩擦实现管道爬行，在20 mm直径亚克力管中达到2.78体长s-1。双锥DEA通过反相电压驱动中央活动元件在机械限位间周期性碰撞，利用冲击产生瞬时推进，最大前进和后退速度分别达21.4和16.9 mm s-1，并可携带约等于自身质量的9.5 g负载。
2.2. 液晶弹性体：光热响应智能薄膜
液晶弹性体（LCE）结合了液晶基元的取向有序性和交联聚合物网络的橡胶弹性。紫外光、可见光和热等外部刺激可触发液晶态与各向同性态之间的可逆转变，分子排列从有序变为无序产生显著的宏观收缩或弯曲。LCE的分子取向决定了局部收缩方向，通过预先设计收缩方向及其空间分布，可将部分运动设计嵌入材料结构。LCE驱动主要受热传输控制，加热可产生较大可编程变形，但冷却和热恢复较慢，限制了驱动频率和连续爬行速度。LCE薄膜通常通过前驱体制备、成膜、分子取向和交联固定取向等步骤制造，三维打印可同时控制局部分子取向和驱动方向。在爬行应用中，直接热驱动利用外部热源或环境温差改变LCE有序度，双稳态波浪环在约150 °C表面达到约0.95 mm s-1。光驱动通过空间选择性光照产生局部变形，移动光照区域可沿身体产生行进变形波，结合粘附接触实现水平、垂直和倒置表面爬行。电热驱动通过集成柔性电阻加热器将电能转化为热量，各向异性LCE收缩产生伸缩或弯曲，结合鱼鳞状微结构脚提供摩擦不对称，将往复变形转化为尺蠖式爬行；图案化加热器可独立控制不同区域，通过选择性加热改变身体温度和曲率分布，实现双向爬行，前进和后退速度分别为0.50和0.72 mm s-1。
2.3. 磁活性弹性体：磁场响应复合材料
磁活性弹性体（MAE）是将磁性微米或纳米颗粒分散在柔顺弹性体基体中的软复合材料。外部磁场与颗粒之间的相互作用产生磁力或磁力矩，通过弹性体基体传递产生弯曲、扭转、伸缩和复杂三维变形。硬磁体系通常包含高矫顽力颗粒如NdFeB，预磁化建立保留磁矩，与外部场相互作用实现定向变形和空间编程响应。MAE支持远程无接触驱动，无需连接机器人本体的系绳。其主要限制在于对外部磁场强度、梯度和空间分布的依赖，随着与磁源距离增加，变形和运动性能可能迅速下降。MAE薄膜制造涉及磁性颗粒分散、成膜、聚合物固化和磁化编程。在爬行应用中，可编程磁响应材料通过激光直写重构局部磁各向异性，使同一柔顺机器人能够在移动磁场下执行蚯蚓式蠕动、尺蠖式爬行和滚动，尺蠖模式下10个驱动周期产生约3.2 cm位移。分段式MAE爬行机器人将八个空心椭球MAE单元串联，移动永磁场顺序诱导收缩和恢复，实现蠕动和毛虫式爬行，蠕动模式最大位移约24 mm每周期。剪纸图案MAE薄膜通过变形诱导动态锚定和各向异性摩擦产生蠕虫式爬行，性能显著优于连续磁膜。三维打印的高NdFeB颗粒负载MAE薄膜与双Miura-ori结构集成，结合折纸弯曲和伸缩与无线磁驱动，可穿越约7 mm高障碍物并适应不同地形。
2.4. 离子聚合物-金属复合材料：离子驱动机电软网络
离子聚合物-金属复合材料（IPMC）由离子交换聚合物膜和两侧金属电极组成，常用Nafion膜与铂或金贵金属电极组合。在含水阳离子型IPMC中，低电压驱动阳离子和部分溶剂分子向阴极迁移，阴极侧膨胀而阳极侧相对收缩，产生不对称厚度应变导致弯曲，反转电压极性可反转弯曲方向。IPMC的主要优势是在约1-4 V电压下产生显著双向弯曲，但强烈依赖水合状态和离子传输，溶剂损失会降低弯曲幅度和长期稳定性，恒定电压下可能出现反向松弛。IPMC薄膜制造涉及表面处理、金属电极沉积和离子交换，电极-聚合物界面微观结构和电化学活性面积对性能影响显著。在爬行应用中，模块化IPMC抓手和线性身体致动器组合产生毛虫或尺蠖式软体机器人，可在圆柱管表面爬行，交替前后锚定配合周期性身体伸缩实现连续前进或后退，最高速度约2.15 cm min-1，但连续运行中性能显著下降至初始水平四分之一以下。另一种方法通过双稳态机构放大IPMC瞬时输出，慢速IPMC驱动先在柔顺机构内积累弹性势能，跨越不稳定平衡后快速释放能量产生瞬时角速度超过300° s-1，瞬时功率密度约为平均功率密度的280倍，平面运动中最大瞬时速度约40 mm s-1。
2.5. 形状记忆聚合物：热机械可重构薄膜
形状记忆聚合物（SMP）通过热机械编程固定临时形状，并在适当刺激下恢复预设的永久形状。热触发SMP在加热时变形、冷却时固定、重新加热时恢复原始构型，包括单向形状恢复和可逆循环驱动。SMP具有低质量、高可加工性、形状可编程性和温度依赖刚度可调性。其主要限制是相对缓慢的热循环，加热可触发大形状恢复，但冷却和热平衡通常需要更多时间。SMP薄膜制造取决于聚合物体系，热固性或溶液可加工SMP可通过溶液浇铸、旋涂、刮涂或模压成型，热塑性SMP可通过热压、挤出或熔融沉积建模加工。在爬行应用中，双向SMP复合致动器嵌入低模量弹性体基体，在加热和冷却过程中实现可逆形状变化，产生约8.7%双向驱动应变，循环2-4中恢复率约97%；双层双向致动器结合金属脚和锯齿轨道产生连续前进运动，但速度仅约0.02 mm s-1。双层复合驱动通过独立控制前后电热段顺序传播身体变形，结合变摩擦脚产生波动身体运动，50 V驱动序列下每完整循环产生约6 mm位移。SMP辅助混合构型中，SMP主要通过温度依赖刚度变化实现身体重构和形状锁定，加热至玻璃化转变温度以上软化SMP使驱动单元重塑身体，冷却恢复高刚度锁定新构型，四足机器人以约1.87 mm s-1爬行并可穿过限高空间。
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凝胶基软体爬行机器人
3.1. 刺激响应水凝胶：多场驱动网络
水凝胶是由含有大量水的三维亲水聚合物网络组成的软材料。温度、pH、湿度、离子、光和电场等外部刺激可改变聚合物-水相互作用和链构象，产生溶胀或收缩。双层结构、交联或组分梯度以及空间图案化可将体积变化转化为弯曲、扭转、卷曲等三维变形。水凝胶驱动强烈受溶剂传输控制，薄膜厚度是响应时间的关键因素，较薄薄膜缩短扩散距离并通常响应更快。其主要限制包括溶剂扩散慢、输出力低、机械强度有限、脱水、疲劳和长期尺寸不稳定。水凝胶薄膜制造涉及前驱体制备、成型、交联、凝胶化和后处理，三维和四维打印可局部控制材料取向、组成和活性区域。在爬行应用中，直接热驱动利用环境温度变化或外部加热诱导热响应水凝胶可逆收缩或膨胀，PNIPAM/PAAm双层结构将体积变化转化为弯曲，优化多段机器人每循环实现约12.2%体长位移。光热驱动在凝胶中引入光吸收材料将光能转化为局部热，含Fe3O4纳米颗粒的PNIPAM/PVA-SA双层产生身体弯曲和不对称地面接触，每循环约10 mm位移；含MoS2的PNIPAM水凝胶结合优化脚几何将弹性恢复转化为定向位移，缩短活性脚可改善材料变形到运动的转换效率。电热驱动通过电阻加热局部控制热响应水凝胶温度，三明治结构致动器包含热响应水凝胶、柔性加热器和导电传感层，焦耳热产生局部弯曲，导电层电阻变化监测变形，前后区域顺序激活结合摩擦不对称产生尺蠖式爬行，45 °C下活性层约8 s内收缩约58%，约60 s恢复，平均速度约0.075 mm s-1。
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比较分析
4.1. 跨材料性能权衡
六类致动器在变形能力、力输出、响应速度、能量需求、耐久性和制造复杂度方面表现出不同权衡。DEA通常提供大变形和快速响应及高驱动带宽，适合高速爬行和振动运动，代表性平面和鞍形DEA爬行机器人速度分别达29.3和79.55 mm s-1，手性晶格脚鞍形DEA机器人前进和后退速度分别约112和124 mm s-1，主要权衡是需要高电场。IPMC在约1-4 V低电压下运行并产生大柔顺弯曲，但力输出和响应速度更受限，双层IPMC最大尖端力约为单层六倍但响应时间从约2 s增至9 s。LCE和SMP提供大可编程形状变化，但响应受热传输主导，代表性LCE爬行机器人在150 °C直接热驱动下约0.95 mm s-1，电热驱动下0.50-0.72 mm s-1；SMP双向复合致动器产生约8.7%驱动应变，但双向SMP尺蠖机器人爬行速度仅约0.02 mm s-1。热响应水凝胶对溶剂和热传输依赖性更强，代表性光热和电热水凝胶爬行系统速度分别约0.015和0.075 mm s-1。MAE可远程产生机械响应而无需直接电热连接，可编程MAE机器人10个驱动周期产生约3.2 cm位移，分段MAE爬行器每周期约24 mm位移，折纸启发MAE机器人可穿越约7 mm高障碍物，但权衡转移至外部驱动系统。
4.2. 致动器特性与爬行性能的关系
爬行速度与致动器响应时间、工作频率和每驱动周期有效位移密切相关。快速响应致动器支持高频运动，鞍形DEA机器人在27 Hz下通过协调身体变形和静电粘附锚定达到79.55 mm s-1。LCE和SMP机器人通常受加热和冷却过程影响，热循环限制驱动频率。负载能力取决于致动器力输出和结构承载能力，双锥DEA机器人携带9.5 g负载约等于自身质量。环境适应性取决于致动器变形模式、结构构型和地面相互作用的协调，鞍形DEA结合主动粘附可适应不同表面方向，MAE通过可编程磁化和折纸结构适应不同地形，SMP辅助混合系统通过刚度调节适应受限空间。致动器特性与爬行性能之间的关系不是简单的材料应变或力输出的线性映射，而是材料响应、结构转换、地面相互作用和控制策略的耦合结果。
