软体爬行机器人具有高顺应性、大变形能力以及对复杂非结构化环境的适应性，这使其在微型检测系统、生物医学应用、智能制造及极端环境作业中具有前景。传统刚性机器人依赖复杂机械结构与多自由度铰接关节，而软体机器人主要通过对智能材料的受控变形实现驱动与运动。薄膜与凝胶基材料（如水凝胶（hydrogels）和离子凝胶（ionic gels））因低质量、高柔性、大应变能力及易集成而尤其具有吸引力。通过引入特定功能基团进行功能化，可赋予材料对电、热、光、磁和湿度等刺激的响应能力，因此这些材料正成为下一代软体爬行机器人关键功能部件。本综述考察薄膜与凝胶材料驱动软体爬行机器人的最新进展。按驱动机制将主要智能材料分类为介电弹性体驱动器（dielectric elastomer actuators, DEAs）、液晶弹性体（liquid crystal elastomers, LCEs）、磁活性弹性体（magnetoactive elastomers, MAEs）、离子聚合物–金属复合材料（ionic polymer–metal composites, IPMCs）、水凝胶（hydrogels）和形状记忆聚合物（shape-memory polymers, SMPs），并分析其驱动机制、力学性能和应用场景。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比较材料体系。综述还指出材料稳定性、循环耐久性、电/热需求、脱水、外场依赖、界面可靠性、制造可重复性和可扩展制造等主要挑战。多材料集成、混合驱动、智能制造、自感知和闭环控制的进展有望提升系统集成度、适应性、自主性和多功能性。
1 引言
智能制造、生物医学工程、环境探索和微机器人发展推动机器人由刚性机构向顺应、可变形和环境自适应系统转变。软体机器人利用弹性体、聚合物等柔性功能材料产生连续变形，其本征顺应性有利于适应外部几何约束并实现安全交互。爬行因支持紧凑机构及在受限、粗糙和起伏环境中的连续运动而成为软体移动机器人研究重点，其性能取决于驱动器应变、输出力、响应速度、驱动频率和能量转换效率。综述聚焦薄膜与凝胶基驱动器，界定其主动功能层厚度远小于面内尺寸或由可变形聚合物/离子凝胶网络构成，并按功能驱动材料及主导响应机制分类。
2 薄膜基软体爬行机器人
2.1 介电弹性体：电场响应软驱动器
2.1.1 介电弹性体驱动器的工作原理
介电弹性体（dielectric elastomers, DEs）在电场下发生可逆变形，介电弹性体驱动器（DEA）为DE薄膜夹于柔性电极间的三明治结构；施加电压时静电吸引压缩厚度并引起面内扩张，撤电后由弹性回复。DEA可大变形、快速响应，但通常需千伏级电压，存在绝缘、击穿和微型化电源集成难题。
2.1.2 DE薄膜制造与驱动器构建
DE薄膜制造要求厚度均匀、缺陷少和性能稳定，常用VHB预拉伸、硅橡胶/聚氨酯旋涂、刮涂、喷涂、浇铸或模塑，并通过热固化、紫外固化或化学交联成形。薄膜厚度、表面缺陷、预拉伸和电极沉积一致性影响局部电场与变形均匀性。结构约束可形成平面、鞍形、圆柱和锥形驱动器，分别实现面内扩张/振动、弯曲、轴向伸缩及双锥往复运动。
2.1.3 介电弹性体爬行机器人
DEA爬行依赖方向摩擦、电粘附、动态足响应、结构共振或惯性冲击将周期性变形转化为净位移。平面DEA结合倾斜刷毛可高速振动爬行；鞍形DEA可大弯曲并与主动电粘附或被动手性晶格足结合；圆柱DEA适合管壁锚定；双锥DEA通过冲击实现惯性推进和载荷运输。代表性速度包括29.3 mm s
?1、79.55 mm s
?1、约112/124 mm s
?1及21.4/16.9 mm s
?1，双锥机器人可携带约9.5 g载荷。
2.2 液晶弹性体：光热响应智能薄膜
2.2.1 驱动机制与材料性能
液晶弹性体（liquid crystal elastomers, LCEs）结合液晶取向有序与交联聚合物橡胶弹性，紫外/可见光或热刺激可触发液晶相–各向同性相转变，产生宏观收缩或弯曲。LCE的优势在于可编程取向和可逆变形，可采用直接热、光及电热驱动；其主要限制是热传输依赖，冷却和热恢复较慢，限制驱动频率与连续爬行速度。
2.2.2 LCE薄膜制造与驱动器构建
LCE薄膜通常经前驱体配制、成膜、分子取向和交联固定制备，机械拉伸、表面处理、磁场或剪切可诱导取向，直接墨水书写可同步编程分子取向和驱动方向。单轴取向、多层复合、厚度梯度、图案化活性区及光热填料/柔性加热器可构建伸缩、弯曲、扭转和爬行模块，但打印速度、固化、填料分布和界面结合会影响取向与变形一致性。
2.2.3 爬行机器人应用
LCE爬行机器人可按刺激分为直接热、光和电热驱动。直接热驱动利用双稳态波浪环在非均匀加热下产生翻转和不对称摩擦；光驱动通过移动光照区域产生行波变形，实现水平、垂直和倒置表面爬行；电热驱动通过图案化加热器调节曲率和足部接触，实现尺蠖式或双向爬行。代表性速度包括约0.95 mm s
?1、0.50/0.72 mm s
?1及4.3 mm min
?1。
2.3 磁活性弹性体：磁场响应复合材料
2.3.1 驱动机制与材料性能
磁活性弹性体（magnetoactive elastomers, MAEs）由磁性微/纳米颗粒分散于弹性体基体构成，外磁场与颗粒相互作用并经基体传递产生弯曲、扭转、伸缩和三维变形。软磁体系依赖场致磁化并可逆响应，硬磁体系经预磁化建立剩磁以编程定向响应。MAE可远程无线驱动，但性能依赖外场强度、梯度和空间分布，硬磁编程误差会影响变形与步态。
2.3.2 MAE薄膜制造与驱动器构建
MAE薄膜制造包括磁性颗粒分散、成膜、聚合物固化和磁化编程，常用羰基铁、Fe
3O
4和NdFeB颗粒及PDMS、Ecoflex等基体。铸造、模压、刮涂、旋涂或增材制造可成膜，硬磁颗粒需全局或局部磁化编程。多区域磁化、厚度梯度、剪纸图案或局部柔性区可产生非均匀弯曲/扭转，结合定向摩擦足、被动支撑层或切口实现锚定–释放–滑动；磁化方向、颗粒取向和区域边界误差会降低重复性。
2.3.3 爬行机器人应用
MAE爬行机器人主要通过连续体行波变形、局部弯曲和分段柔性肢体周期运动产生推进。可重编程PCL包覆NdFeB体系可实现蚯蚓式蠕动、尺蠖式爬行和滚动；分段软磁MAE串联结构可产生蠕动和毛毛虫式运动；剪纸结构利用动态锚定和各向异性摩擦实现蠕虫式爬行；折纸Miura-ori结构结合无线磁驱动可越障和适应沙地。代表性结果包括10个驱动周期约3.2 cm位移、每周期约24 mm位移及约7 mm越障高度。
2.4 离子聚合物–金属复合材料：离子驱动机电软网络
2.4.1 驱动机制与材料性能
离子聚合物–金属复合材料（ionic polymer–metal composites, IPMCs）由离子交换聚合物膜及两侧金属电极构成，水合阳离子IPMC在低电压下驱动阳离子和溶剂向阴极迁移，引起厚度方向非对称应变并产生弯曲，反转极性可反转弯曲方向。IPMC可在约1–4 V实现双向弯曲，具有低质量、顺应性和结构/驱动一体化优势，但受水合状态、脱水、背弛豫、滞后、漂移和阻塞力有限等限制。
2.4.2 IPMC薄膜制造与驱动器构建
IPMC薄膜通常以Nafion等离子交换膜为基体，经表面处理、金属电极沉积和离子交换制备，性能强烈依赖电极–聚合物界面微结构和电化学活性面积。铂纳米刺电极可提高有效界面面积、驱动范围和阻塞力。电极均匀性、附着力和导电性影响可靠性，裂纹、分层或不均匀沉积会导致电阻增加和弯曲不均；切割、堆叠、预成形和三维打印可构建弯曲元件、夹持器和模块化机身。
2.4.3 爬行机器人应用
IPMC爬行机器人可将低电压弯曲转化为非对称身体运动，典型策略包括抓取/身体驱动单元交替锚定的尺蠖式爬行和双稳态机械放大。模块化IPMC夹持器和线性驱动器可实现管道表面爬行，最高速度约0.36 mm s
?1，连续运行后性能可降至初始四分之一以下。双稳态机构可储存并快速释放弹性能，瞬时角速度超过300° s
?1，瞬时功率密度约为平均值的280倍，但慢充放电和恢复仍限制整体运动频率。
2.5 形状记忆聚合物：热机械可重构薄膜
2.5.1 驱动机制与材料性能
形状记忆聚合物（shape-memory polymers, SMPs）通过热机械编程固定临时形状并在刺激下恢复永久形状，分子结构含维持永久形状的网络结点和固定/释放临时形状的开关链段。热触发SMP可一程恢复或双向循环，单向SMP常需外部偏置、拮抗组件或双层结构支持连续爬行。SMP低质量、易加工、形状可编程且温度相关刚度可调，但热循环较慢，反复加热冷却可能引入热滞后和不完全恢复。
2.5.2 SMP薄膜制造与驱动器构建
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、刮涂或模塑成膜，热固化或化学交联建立永久网络；热塑性SMP可热压、挤出或熔融沉积建模。聚酰亚胺前驱体分步热亚胺化可制备高温形状记忆薄膜。导电网络如三维多孔CNT海绵可实现较均匀焦耳热，FDM可将导电PLA与纸层构成双层结构；厚度、交联度、固化、打印方向和界面热膨胀差异影响变形重复性和可靠性。
2.5.3 爬行机器人应用
SMP连续爬行需可重复身体变形及方向摩擦/锚定/足部接触将往复变形转为净位移。现有系统包括双向SMP直接驱动、双层复合驱动和SMP辅助混合重构。双向PCL/DCP复合材料可产生约8.7%双向驱动应变并在第2–4循环保持约97%恢复；CNT网络双层尺蠖机器人速度约0.02 mm s
?1；导电PLA/纸双层机器人通过顺序电热实现波动爬行；SMP骨架与扭转卷曲驱动器（TCAs）混合可实现形状锁定和受限空间通过，速度约1.87 mm s
?1。三类策略分别在材料–驱动器集成、步态可编程性和大尺度重构/刚度调节方面具优势，但均受热循环、界面和系统复杂度制约。
3 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
3.1.1 驱动机制与材料性能
水凝胶为含大量水的三维亲水聚合物网络，温度、pH、湿度、离子、光和电场可改变聚合物–水相互作用及链构象，引起溶胀或收缩；双层、交联/组成梯度和空间图案化可将体积变化转为弯曲、扭转和卷曲。聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）等热响应体系可引入光热填料或柔性加热器实现光/电热驱动。水凝胶驱动受溶剂传输控制，厚度影响响应时间，并存在响应速度、出力、强度、脱水、疲劳和尺寸稳定性之间的权衡。
3.1.2 水凝胶薄膜制造与驱动器构建
水凝胶薄膜一般经前驱体配制、成形、交联、凝胶化和后处理制备，单体/聚合物与引发剂、交联剂、功能填料或离子物种混合后经热、紫外、化学、物理或离子交联。模塑、涂层、光刻和三维打印可控制厚度、几何和材料分布，3D/4D打印可编程局部取向、组成和活性区。差异溶胀、串联片段、柔性加热器和导电传感层可构建弯曲/爬行及闭环监测； organohydrogels、organogels和ionogels可改善环境稳定性，但可能改变溶胀动力学、力学性能和生物相容性。
3.1.3 爬行机器人应用
水凝胶爬行机器人可按直接热、光热和电热驱动分类，均需将溶胀–消溶胀或弯曲–恢复与结构不对称、方向摩擦或局部接触控制耦合。直接热驱动双层PNIPAM/PAAm可实现每周期约12.2%体长位移；Fe
3O
4纳米颗粒增强PNIPAM/PVA–SA双层可光热爬行，约54.5 mm h
?1；MoS
2/PNIPAM数字光处理机器人可近红外局部收缩并优化足部几何；三层水凝胶/加热器/传感层电热尺蠖机器人可在45 °C下约8 s收缩58%、约60 s恢复，32 s周期位移约4 mm，平均速度约0.075 mm s
?1。直接热结构简单但慢，光热适合远程/微型化但依赖光路，电热利于局部控制和闭环但增加界面与可靠性挑战。
4 比较分析
4.1 跨材料性能权衡
六类驱动器在变形、出力、响应、能量、耐久和制造复杂度上各有权衡。DEA具大变形、快响应和高带宽，代表性爬行速度可达29.3、79.55及约112/124 mm s
?1，但需高电场并带来绝缘、击穿和电源复杂性；IPMC约1–4 V低电压、柔性弯曲大但出力和速度有限，增加层数可提高力但延长响应。LCE和SMP具大可编程形状变化，受热传输限制；水凝胶受溶剂扩散和软性限制；MAE可远程无线驱动并将复杂性转移至外部磁场系统。制造复杂度亦因薄膜缺陷控制、分子取向、磁化编程、电极界面、网络/溶剂控制及导电/双层界面而异，尚无单一体系同时最优。
4.2 驱动器特性与爬行性能关系
爬行速度与驱动器响应时间、工作频率及每周期有效位移密切相关，快速驱动器可支持高频运动，但净速度还取决于结构变形和地面交互；载荷能力受驱动器出力、结构刚度和接触稳定性影响；环境适应性由材料顺应性、驱动器构型和机器人–环境交互决定。DEA电粘附足可适应水平/垂直/倒置表面，圆柱刷毛适合管道，MAE折纸结构可越障，光驱动LCE依赖光照条件，水凝胶适合水环境但空气中脱水限制运行。
4.3 基于驱动机制的局限与系统集成
电驱动DEA与IPMC需求差异显著：DEA以高场可靠性和绝缘为主，IPMC以水合和电化学稳定性为主。热驱动LCE、SMP和水凝胶共同受加热/冷却及热/溶剂再分布限制，提高功率可加速但可能软化结构或增加热应力。光驱动依赖光照均匀性、穿透深度、光热转换和光源位置，遮挡会降低一致性。磁驱动MAE避免机载布线，但依赖外场强度、梯度、磁化分布和距离，复杂磁场轨迹需外部定位或线圈阵列。
4.4 可靠性与耐久性
六类驱动器主要失效机制不同：DEA受击穿、电极退化、黏弹蠕变、疲劳和局部场集中影响；IPMC耐久性与水合、电极完整性和离子传输相关，连续爬行可显著衰减；LCE反复热循环可改变响应幅值和恢复时间；SMP循环稳定性取决于可逆网络、热历史、导电通路和界面，已有双向SMP在早期循环保持约97%恢复、红外双层机器人100循环无明显疲劳；水凝胶受脱水、溶剂损失、疲劳、溶胀应力和界面损伤影响；MAE受颗粒分散、磁化稳定性、结构疲劳和磁场重复性影响。耐久数据报告不一致，需标准化寿命测试。
4.5 制造与实际部署挑战
实际部署受制造重现性、长期稳定性、电源集成和成本约束。材料组成、膜厚和界面质量变化影响一致性和运动性能；DEA需厚度/预拉伸/电极均匀性，LCE和MAE分别需取向和磁化一致性，IPMC和水凝胶需电极界面和网络控制。无缆运行中，DEA需高压电子与绝缘，IPMC低电压但热驱动需热管理，MAE依赖外部磁场设备。贵金属电极、专用取向/磁化设备、外场发生器、光刺激系统和功率电子增加成本，商业化需可重复性能、高效制造、安全措施和可控运行成本。
5 结论与展望
综述表明薄膜与凝胶驱动器软体爬行机器人在速度、多模态、微型化、远程驱动和结构重构方面取得进展，但仍受变形–出力–响应–能耗–稳定性权衡、高压电子、热恢复、水合/溶剂损失、外场依赖、疲劳、界面退化和制造变异限制。未来发展应强调材料、结构、传感、电源和控制协同，而非仅提高驱动应变；超薄/多层膜、增强凝胶网络、功能填料、耐久柔性电极和界面工程可提升输出、响应和循环稳定性；折纸、剪纸、多稳态和机械超材料可改善局部变形向爬行位移转化；多材料与混合驱动可结合快速驱动、变刚度、远程控制和感知；3D/4D打印可编程局部刚度、活性区、导电通路、磁化和变形轨迹。能效评估应纳入系统输入功率、每周期能耗和单位行程能耗；可靠性研究应一致报告循环数、性能保持率、储存稳定性、环境老化和失效模式；可扩展涂层、打印、自动装配和标准化制造可降低器件差异。集成应变、触觉、温度、磁和环境传感及闭环自适应控制可补偿滞后、热延迟、材料漂移和地面变化，支持更稳定自主运动。现有结果已显示从高顺应水凝胶机器人低于0.1 mm s
?1到高频DEA机器人超过100 mm s
?1、受限空间约2.78体长 s
?1、数十毫牛输出和毫米级越障能力，未来系统将面向高速检测、微型生物医学、管道/受限空间、水下和不规则地形等应用分化发展；长期测试、标准化评价和真实工况验证仍是实际可行性确立的关键。
