《Advanced Materials》正封面：電場響應的軟體形變機器人

在柔性機器人研究中，如何在不依賴外部線纜或磁場的條件下實現可編程形變，一直是制約其應用化的關鍵問題。

近日，來自 英國布里斯托大學（University of Bristol）的研究團隊，在《Advanced Materials》上發表題為 Electric Field Driven Soft Morphing Matter 的研究，首次提出一種以電場能量直接驅動形態變化的軟體材料體系——電致變形凝膠 （e-MG）。

電-機械耦合的新機制

傳統軟體機器人多依靠磁場或光-熱刺激實現變形，其控制裝置往往需要復雜的電磁線圈或加熱模塊，難以同時實現裝置輕量化，低能量損耗，機器人快速響應和精準控制。

e-MG 的核心創新在于電場誘導極化應力。研究團隊通過在彈性體基質中引入低含量的碳納米顆粒，使材料形成導電網絡。當外加電場施加時，局部電荷重新分布，導電網絡極化產生各向異性應力，進而在毫秒尺度內驅動宏觀形變。

該體系在 6 kV cm?1 電場下實現 286 % 的最大應變 與 500 % s?1 的應變速率。經 10 000 次循環后，機械性能與形變幅度幾乎無衰減，顯示出穩定的結構可逆性。這一結果說明，電場可以成為高效、非接觸的驅動力源，在無需復雜電極裝置的情況下完成柔性結構的能量轉化。

圖1 軟體機器人的形變能力展示。a.材料的結構。b.未來太空應用場景。c. 體操機器人。d. 蝸牛機器人。e. 在狹窄通道中運送貨物。

多模態變形與仿生展示

通過調控電極幾何與場強分布，研究者實現了多種形變模式，包括旋轉，伸展、彎曲，扭轉、平移及擴散。在一系列實驗中，e-MG 展現出豐富的仿生特性：“蝸牛”機器人可跨越縫隙，“體操運動員”可在天花板上擺動，“青蛙舌抓取器”可在 2 s 內完成捕獲動作。這些運動完全基于電場梯度產生的力-偶分布，無需磁化或外部線纜連接。

團隊進一步實現了多個獨立單元在同一電場中的選擇性響應，為軟體群體機器人與微操控系統提供了可擴展方案。

材料穩定性與環境適應性

研究顯示，e-MG 在空氣、液體及低壓環境中均能穩定工作。其性能在 ?20 °C 至 120 °C 范圍內保持一致，說明該體系具有較強的熱-化學穩定性。這使其具備在太空及特殊工業環境中應用的潛力。

啟示與展望

這一研究不僅提出了新的電-機械轉化機制，更建立了從場能分布到形態演化的可解析模型。

通過有限元模擬，團隊驗證了局部電場梯度與應變速率的定量關系，為后續的多尺度設計提供理論依據。

電場驅動機制可以實現以最輕量的方式操控復雜的形態變化，這為軟體機器在未來的發展和應用提供的新思路。

來源：材料科學與工程公眾號。感謝論文作者團隊支持。

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