《Progress in Natural Science: Materials International》：A coupled biomimetic crawling robot controlled by shape memory alloy
编辑推荐：
摘要爬行动机器人通常受到复杂驱动结构的限制，且易受易损组件和有限的环境适应能力的制约。仿生设计与智能材料的结合为实现驱动机制的简化和创新提供了一种有前景的策略。本项研究提出了一种完全由形状记忆合金驱动的新型爬行动机器人，该设计通过仿生耦合设计实现。其驱动单元的灵感来源于尺蠖的
摘要
爬行动机器人通常受到复杂驱动结构的限制，且易受易损组件和有限的环境适应能力的制约。仿生设计与智能材料的结合为实现驱动机制的简化和创新提供了一种有前景的策略。本项研究提出了一种完全由形状记忆合金驱动的新型爬行动机器人，该设计通过仿生耦合设计实现。其驱动单元的灵感来源于尺蠖的收缩原理以及乌龟腿部的双关节运动。通过调节仿生形状记忆合金单元，可实现基本运动模式的可控调节，包括直线行走、转向和攀爬。该机器人的适应性在特定场景中得到进一步验证，包括从空中投放进入茂密植被以及在受限空间内的突发情况应对。该简单轻便的形状记忆合金驱动机器人展现了优异的环境韧性和高效的变形能力，为智能材料驱动的仿生系统开发提供了新的思路。
引言
设备在复杂地形中的高效运行和环境适应性已成为极端条件下任务的关键挑战。爬行动机器人因其贴近地面运动而具有独特优势，在灾害救援、复杂地形探索和狭窄空间检查等领域展现了不可替代的潜力[[1], [2], [3]]。与轮式或足式系统相比，爬行运动在极端环境中能有效降低操作风险[4,5]。然而，传统爬行动机器人的驱动系统严重依赖机械结构，此类设计导致结构复杂、体积增大和质量升高，同时在组件耐久性和环境韧性方面仍存在局限[6,7]。
自然界中多样的生物原型为机器人设计提供了仿生灵感，促成了新颖的运动形式和功能[8,9]。例如，蛇、蚯蚓和毛虫等生物在长期进化中发展出了高度优化的节段结构、摩擦各向异性皮肤和波动式肌肉驱动机制，为仿生机器人设计提供了宝贵的启示[10,11]。研究人员将这些仿生结构和运动策略引入爬行动机器人的开发中，克服了传统机制的局限，建立了多样化的爬行动机器人系统。这些机器人展现出多变的运动能力，能够实现类似蛇的侧卷或蜿蜒爬行[12]、类似蚯蚓的多模态蠕动[13]，以及类似毛虫的多姿态适应性运动[14]。因此，此类设计在各类场景中展现了特定功能。然而，这些仿生结构在复杂和多变环境中的适应能力仍显不足，受限于传统材料和结构。
智能材料被定义为能够感知环境变化并主动改变自身性能的物质[[15], [16], [17]]。将这些材料引入，为集成仿生机器人设计和替代复杂驱动系统提供了新途径。目前，形状记忆合金[[18], [19], [20]]、形状记忆聚合物[[21], [22], [23]]和形状记忆水凝胶[[24], [25], [26]]等智能材料已被研究人员选用以构建特定的机器人机构，从而克服传统机器人设计的局限，为运动模式和环境适应性的创新创造可能。在众多智能材料中，形状记忆合金（SMA）因其显著的形状记忆效应、超弹性和大输出应变能力，被认为是结构简化和功能集成的理想候选材料[27,28]。与形状记忆聚合物相比，SMA具有更高的机械强度和更稳定的循环性能，能够满足机器人连续运动中输出载荷和结构可靠性的要求。与形状记忆水凝胶相比，SMA不依赖溶剂环境且具有更高的驱动力。这些合金具有超弹性，能在特定温度下恢复原始形状。当外力诱导变形时，只需将材料加热至相变温度即可恢复初始状态，这一现象被称为形状记忆效应。通过成分设计和热处理调控，可实现单向、双向和全向记忆效应。这一特性使其能够作为驱动组件，在相变过程中直接将材料变形转化为机械输出，从而减少对复杂传动机制的依赖[29]。Ortega-Jimenez等人[30]构建了一种自变形形状记忆合金推进结构，可在水面上实现高效推进和快速转向。受爬山虎攀爬机制启发，Qin等人[31]开发了一种形状记忆合金驱动的爬墙机器人，能够在各种复杂表面上稳定攀爬。该驱动策略促进了爬行动机器人的多功能驱动。尽管SMA推动了仿生机器人的结构创新，但现有的SMA驱动爬行动机器人仍主要局限于单一仿生原型，部分设计还依赖外部支撑结构，因此仍需进一步改进。
耦合仿生学专注于在结构、驱动和功能层面将各种生物运动机制进行协同集成。该策略可在简化系统架构的同时增强机器人的整体环境适应性[32,33]。通过结合多种生物的优势互补，该方法为SMA驱动仿生爬行动机器人的设计提供了全新视角。为进一步推进该方法，本研究设计了一种由智能材料驱动的耦合仿生爬行动机器人。机器人的转向操作由模拟乌龟腿部多关节协同运动的NiTi线驱动器完成。前进运动则基于尺蠖的收缩变形机制，通过形状记忆合金弹簧实现。仅使用智能材料作为驱动架构，通过耦合仿生协调设计，实现了耦合仿生爬行动机器人的可调运动。该机器人能够在坠落、受压和爬坡等复杂环境下保持稳定的爬行能力，展现出优异的环境适应性。通过耦合仿生设计和智能材料调控，本研究推动了爬行动机器人智能结构与驱动集成设计的进展。
章节摘要
结果与讨论
本研究采用仿生设计开发了一种由智能材料驱动的新型耦合爬行动机器人，将尺蠖的收缩变形机制与乌龟腿部的多关节协同运动相结合。耦合仿生爬行动机器人的运动分解如图1(A)所示。两类独立但协同控制的形状记忆合金作为机器人的驱动源。其中一个驱动源由仿生组成
讨论
针对当前爬行动机器人在驱动结构复杂、组件易损和环境适应性差等方面面临的挑战，本研究将仿生架构与智能材料相结合，开发了一种完全由形状记忆合金驱动的耦合仿生爬行动机器人。通过调节仿生，实现了对基本运动功能（包括直线前进、左转、右转和斜坡攀爬）的可控调节
实验材料
本文形状记忆合金弹簧所需的形状记忆变形效应相对简单。经过计算和筛选，形状记忆合金弹簧采购自中国苏州海川稀金属制品有限公司。弹簧初始处于拉伸状态，施加刺激后收缩。本研究所使用的形状记忆合金丝同样采购自该公司。其初始状态为直条，但经矫形处理后，能够呈现预期的形状
作者贡献声明
杨泽宇：初稿撰写、可视化、项目管理、经费获取、概念构思。龚翔：初稿撰写、可视化、方法论、调研。庄宇江：调研、数据整理。彭业红：调研、数据整理。薛世博：调研、数据整理。李贵伟：审稿与编辑、验证、指导、项目管理、经费获取。任雷：审稿与编辑、指导、项目
数据可用性
支持本研究发现的数据可从通讯作者处合理获取。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李贵伟报告了吉林大学的资金支持。如有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（批准号52105342）、吉林省重点研发项目（20240302046GX）、中国博士后科学基金（2025T180367）、中国科协青年优秀人才支持计划（2023QNRC001）以及吉林大学研究生创新基金（2026CX143）的支持。
杨泽宇|龚翔|庄宇江|彭业红|薛世博|李贵伟|任雷|吴文正|任路全
