软体爬行机器 人 凭借 低重心 、 优异的通过性等优势，在地形探索、管道检测 等操作空间受限的 场景 中 展现出巨大的应用潜力 。为了 提升 其对多变环境的自主适应能 力 与 运动效率，开发能够 利用可控形变灵活调整姿态 ， 并产生与环境相匹配运 动模式的软体爬行机器 人 具有重要意义。 爬行 - 滚动运动模式切换 是软体爬行机器人 适应 地形 变化 （ 从平坦表 面到坡面等）的 有效 策略 ， 其运动机制主要体现在两方面：（ 1 ） 在平直或拱形姿态下，机器人 通过可控 形变 调节 局部曲率， 由此 调控 重 心位置以及与地面的接触角 ，利用 各向异性摩擦 实现 定向爬行 。 （ 2 ）机器人通过 响应性姿态切换形成卷曲构型， 借助 重心偏移作用 实现 滚动运动。 值得注意的是 ，由于 卷曲姿态具有不稳定性 ， 软体机器 人 在滚动后可能处于倒置状态，从而导致 运动终止。因此，软体爬行机器人 自主 矫正姿态的能力 是 其 在 不同地形下 实现 连续 运动 的关键保障 。 由于需要多 种 姿态的设计与协同，开发一种集双向 爬行 、 爬行 - 滚动模式切换 和自我矫正 能力于一体的软体爬行机器 人 仍是一项重大挑战。
日前，复旦大学的俞燕蕾教授与秦朗副教授团队，受珍珠母毛虫的启发，开发了一种具有自适应与精准运动控制能力的分段式爬行机器人（CRAWL—Crawling Robot with Adaptive Well-controlled Locomotion）。该机器人采用柔性液晶弹性体（LCE）与刚性丙烯酸树脂交替组装的设计，并通过先进的多材料4D打印技术实现。在 打印 过程中， 借助 喷嘴外轮廓剪切方法，诱导 LCE 节段内 的 液晶基元沿厚度方 向 形成梯度取向，从而产生超大曲率弯曲以实现形状自适应。此外， 利用 具有时 空可控性的近红外 光 照射，可 通过 局部光热效应选择性诱导目标 LCE 节段 的形变 ，从而按需调控 CRAWL 的曲率。基于上述设计， CRAWL 能够动态调整 多种姿态 以展现自适应运动能力 ， 具体表现为：利用曲率可调的拱形构型实现双 向运动控制， 借助整体卷曲在爬行和滚动模式之间动态切换步态，以及通过局部 节段 调控完成自主姿态矫正。这些功能使 CRAWL 能够在不同地形条 件下高效执行连续运动，凸显了其在需要动态机械智能的非结构化环境中的操作潜力。 相关工作以 “ Adaptive Locomotion of Pleurotya Caterpillar-Inspired Segmental Crawling Robots with Multiple Postures ” 为题 发表在 《AdvancedFunctional Materials》 。
珍珠母毛虫的结构与运动行为
自然界中的珍珠母毛虫（ Pleurotya caterpillar ）展现出卓越的多姿态调控能力 ， 包 括弯曲曲率 可调 的拱形姿态以及局部或整体卷曲的卷曲姿态。基于这种 能力 ， 珍珠母毛虫能够实现多种自适应运动模式，例如在平坦表面上的双向爬行、 在斜坡上卷曲成环后滚动下坡，以及 通过自我矫正恢复姿态平衡 （图 1 ） 。 珍珠母 毛虫的 这种 动态曲率可控性源于其分段肌肉与外骨骼之间的协同作用。 具体而言 ， 肌肉通过驱动和控制毛虫的形变，使每个节段能够灵活实现大曲率 弯曲，而外骨骼则 为其提供必要的结构支撑和保护。 研究人员 受珍珠母毛虫结构与运动性 能的启发， 认识到 实现 软体爬行机器 人 灵活曲率控制的关键在于 刚柔耦合 分节结构 的 设计以及各节段 大曲率弯曲 形变的协同 ， 这需要将先进的多材料加工技术与能够实现大曲率弯曲的智能材料相结合 。 相关研究 为 开发 仿生软体机器 人 提供 了 重要的理论依据和技术 指导 。
图 1 . （ a ） 珍珠母 毛虫的结构示意图。毛虫的肌肉附着于体壁的内层，而体壁则 由表皮细胞分泌的外骨骼构成。 （ b ） 珍珠母毛虫的自适应运动行为，包括双向爬行、滚动以及自我矫正。
CRAWL 的构筑与设计
CRAWL 的设计基于以下三个核心标准 ：（ 1 ） 分节结构中的人工肌肉与聚合物外骨骼单元具有机械兼容性 ；（ 2 ） 分 节结构 内的各个人工肌肉单元能够独立灵活控制 ； （ 3 ） 人工肌肉单元具备大曲率弯曲 能力 。
a . 刚柔耦合分节结构的设计 。 为了确保 CRAWL 在形变过程中的结构完整性，并通过抑制屈曲现象以维持 运动稳定性，其人工肌肉与聚合物外骨骼单元需 具备相匹配的模量 【 条件（ 1 ）】 。 为满足这一要求， 研究团队 分别选用柔性 光响应性液晶弹性体 （ LCE-MWCNTs ） 和刚性丙烯酸树脂作为人 工肌肉和聚合物外骨骼材料。 根据两种材料的应力 - 应变曲线（图 2 c ）， 所选丙 烯酸树脂 的弹性模量较高 （ E : 578.9 ± 20.5 MPa ）， 处于典型天然外骨骼的模量范 围 （ 100~800 MPa ） 内 ； 而 LCE-MWCNTs 则表现出较低的弹性模量 （ E : 29.8 ± 2.2 MPa ） 。这种模量匹配设计充分模拟了毛虫肌肉与外骨骼的基本组合特征 ， 为 CRAWL 实现仿毛虫自适应运动提供了关键的力学支持。 进一步地， 通过先进的多材料 4D 打印技术 ， 利用光响应性 L CE-MWCNT s 与非响应性 丙烯酸树脂构筑分节结构 （图 2 b ） 。其中， L CE-MWCNT s 与 丙烯酸树脂节段沿 C RAWL 的体长方向交替排列， 以有效促进 C RAWL 的拱起行为并驱动其爬行运动。 分节结构的离散特性结合光驱动的定点可控优势，实现了结构中各人工肌肉单元的独立灵活控制【 条件（ 2 ）】。
图 2 . （ a ） 通过 aza-Michael 加成反应制备 LCE-MWCNTs 所用的组分，包括液晶单体 RM82 、扩链剂正丁胺（ n -BA ）、光引发剂 I651 以及 光热试剂 多壁碳纳米管（ MWCNTs ）。 （ b ） CRAWL 的 4D 打印过程示意图。其分节结 构 由 LCE-MWCNTs 光响应人工肌肉和丙烯酸树脂聚合物外骨骼交替相连而 成。 （ c ） LCE-MWCNTs 光响应人工肌肉和丙烯酸树脂聚合物外骨骼的应力 - 应 变曲线 。插图表示用于拉伸测试的 4D 打印哑铃形结构。
b . LCE-MWCNTs 人工肌肉单元的大曲率弯曲能力。 为了实现 L CE- MWCNT s 的大曲率弯曲形变， 研究团队在 4 D 打印的过程中采用了一种喷嘴外轮廓剪切的取向方法，以促进液晶基元的梯度排列。 具体而言，该打印过程涉及两种不同的剪切模式 （图 3a ） ：（ 1 ） 喷嘴 内部 的对称剪切，诱导多畴介晶 形成均一 排列； （ 2 ） 喷嘴 末 端 处的非对称剪切，此时额外的剪切力作用于挤出材料的上表面，从而 促使 介晶在厚度方向上形成梯度排列 。 掠入射 X 射线衍射 （ X RD ） 分析证实了这种梯度排列的存在， LCE-MWCNTs 上表面 的 取向参数（ 0.60 ）显著高于下表面（ 0.28 ）（图 3 b 、 3 c ）。 在 1 W·cm -2 的 NIR 辐照下，由于 MWCNTs 的光热效应， LCE-MWCNTs 打印薄膜的表面温度在 2 s 内升温至其 T NI 以上。 由于 液晶基元在厚度方向呈梯度取向 ， 上表面 的收缩率大于下表面 ， 液晶相转变引发其可逆弯曲，且弯曲曲率大于 2π/ L ， 其中 L 是薄膜的长度（图 3 d ） 。这种大曲率可逆弯曲行为是 实现 C RAWL 仿毛虫自适应运动行为的关键 条件 。
图 3 . （ a ） 基于喷嘴外轮廓剪切的 4D 打印过程示意图。其中， US 和 LS 分别表示 上表面和下表面 。 z 表示喷嘴末端与打印物体上表面之间的距离。 （ b ） LCE-MWCNTs 打印薄膜的横截面示意图。 （ c ） 以 0.1° 的掠入射角度测得的 LCE-MWCNTs 打印薄膜上下表面的二 维 XRD 图像；（ d ） 1 W·cm -2 的 NIR 辐照下 ， LCE-MWCNTs 打印薄膜的大曲率 可逆弯曲。其中， k 表示曲率。比例尺： 5 mm 。
C RAWL 的双向爬行
C RAWL 实现双向爬行的关键在于 精确调控 两端摩擦力。 研究团队 采用从尾端至 首 端按序刺激单个 LCE-MWCNTs 节段的方法，使 CRAWL 产生连续的局部小曲率弯曲 ， 控制机器人首尾两端的摩擦力合力始终朝向头端，从而驱动其向前 爬行 （图 4a 、 4 b ） 。
在珍珠母毛虫向后爬行的过程中，其运动学特征与前进模式相反，此时蠕动波从首端开始向尾端传播。因此，研究者通过依次同时刺激 3 个 L CE-MWCNT s 节段，使 C RAWL 从首端至尾端产生局部、大曲率的弯曲形变 ， 形成了一种大曲率的拱起姿态 （图 4c ） 。在该过程中， C RAWL 的首尾端逐渐翘起，导致两端与地面的接触面积产生明显的差异。 重心位置和与地面接触角度的共同作用 使得机器人所受 摩擦力合力始终指向 C RAWL 的尾端， 进 而驱动其向后爬行 （图 4d ） 。
图 4 . （ a ） CRAWL 在向前爬行过程中的图 像，步骤 ① - ④ 依次表示初始状态、局部小曲率弯曲、伸长（形状恢复 ） 和复位。 D ：尾端 ， P ：首端。 808 nm NIR 的辐照强度为 1 W·cm -2 。比例尺： 1 cm 。 （ b ） 在向前爬行模式下， 根据 CRAWL 的自重归一化的首尾两端摩擦力 f 。插图展示了 CRAWL 在前进模式下的模拟结果（色条表示 LCE-MWCNTs 节段中各网格的应变）。其中，摩擦力朝向 C RAWL 首端的 方向标记为 “ + ” ，朝向尾端的方向标记为 “ − ”。（ c ） CRAWL 在向后爬行 过程中的图 像，步骤 ① - ④ 依次表示初始状态、局部大曲率弯曲、伸长（形状恢复 ） 和复位。 （ d ） 在向后爬行模式下， 根据 CRAWL 的自重归一化的首尾两端摩擦力 f 。插图展示了 CRAWL 在后退模式下的模拟结果 。
C RAWL 的运动模式切换与姿态调整
在面对斜坡等特定条件时， CRAWL 不仅能够通过切换爬行和滚动模式来提 高 其运动效率，还能够在因运动失衡而倒置时，通过自我矫正行为调整姿态，从 而有效模拟了珍珠母毛虫的自适应模式切换与姿态调整 。 CRAWL 实现可切换运 动模式 及可调节姿态的关键在于对其卷曲行为的精确控制。通过对部分或全部 LCE-MWCNTs 节段进行光控操作 ， CRAWL 通过局部或整体形变实现了自适 应卷曲姿态 ，包括卷曲成环以响应重力作用，以及通过翻身行为恢复其正常爬行 姿态。
在 全局 NIR 辐照下， CRAWL 整体发生大曲率卷曲，形成一种自适应的类环状构型，从而促进了其 在坡面上的 滚动行为 （图 5 a ） 。 通过调控 C RAWL 中 L CE-MWCNT s 节段的数量，其滚动速度可提高至 21.2 ± 0.3 cm·s -1 （图 5 b ） 。 如图 5 c 所示， 在 相同 的坡面上， C RAWL 的滚动速度可比其爬行速度快两个数量级，并达到其滑动速度的两倍以上，充分证明了滚动行为在坡面地形上的高效导航能力。
自我 矫正 行为 在 CRAWL 系统中发挥着关键作用，它使 该机器 能够在滚动行为后实现姿态矫正，从而确保运动的连续性。 CRAWL 在滚 动后几乎不可避免地会进入倒置状态，导致运动中断。 为了实 现自我矫正行为， 研究者 依次刺激了四个 LCE-MWCNTs 节段，以诱导 CRAWL 发生局部卷曲。这种卷曲运动从首端向尾端传播，使 CRAWL 能够完 成翻转（状态② ，图 5d ）。随后，通过选择性地激活 CRAWL 尾端附近沿身体方向的一 个或两个 LCE-MWCNTs 节段，调节两端之间的各向异性摩擦力，使 CRAWL 逐渐恢复到正常爬行姿态。自我矫正行为的实现主要依赖于以下两个因素：（ 1 ） CRAWL 中每个节段的大曲率弯曲使其能够完成翻转过程；（ 2 ） 分节结构和光驱 动策略能够实现对 CRAWL 局部形变的精确控制 。
图 5 . （ a ） CRAWL 卷曲成环产生自适应构型，并在重力作用下快速滚动的照片。 （ b ） 在坡角为 25° 的下坡上， CRAWL 的滚动速度随 LCE-MWCNTs 节段 数量 的变化关系。插图中展示了在全局光照条件下 ，节段数量 与 CRAWL 自适 应构型的对应关系。 （ c ） 下坡坡角对 CRAWL 的滚动速度、爬行速度及滑动速度的影响。 （ d ） CRAWL 自我矫正行为的 图像 ， 状态 ① - ④ 依次表示倒置姿态、局部卷曲、伸长（形状恢复）和正常姿态。 P 和 D 分别表示首端和尾端。 808 nm NIR 的辐照强度为 1 W·cm -2 。 比例尺： 1 cm 。
CRAWL 在复杂环境中的自适应运动行为
本研究报道了 LCE 爬行机器 人 通过动态切换运动模式并调整姿态，在复 杂地形中实现连续导航的实例。通过利用 CRAWL 的局部小曲率弯曲形变，使两 端摩擦力的合力方向始终朝向首端， CRAWL 展现了连续的攀爬和爬行行为 （图 6 a-d ） 。此外，通过采用整体卷曲形变策略 ， CRAWL 形成了环状构型，使其能 够通过滚动行为适应从平坦到斜坡的 地形 变化（ 图 6 e 、 6 f ）。在滚动过程中，当 CRAWL 因卷曲姿态的不稳定性而失去平衡并进入倒置状态时（图 6 g ），它利 用自我矫正行为恢复至正常爬行姿态（ 图 6h 、 6 i ），从而继续执行其运动任务。 该软体爬行 机器 人 具有显著增强的运动能力和环境适应性，展现了在不同环境中进 行高效探索和导航的巨大潜力。
图 6 . CRAWL 在不同环境条件下的仿毛虫自适应运动行为。 （ a- b ） CRAWL 在 15° 倾斜的棘轮表面上攀爬的快照 ；（ c - d ） CRAWL 在平坦表面上向前爬行的快照 ；（ e - f ） 在 25° 坡角的下坡环境中 ， CRAWL 卷曲成环并在重力作用下快速滚动的 快照 ；（ g - i ） CRAWL 在倒置状态下 ， 通过 自我矫正 行为完成姿态 调整 的快照。 比例尺： 1 cm 。
总结
受珍珠母毛虫 运动学的启发， 本工作 结合喷嘴外轮廓 剪切策略与多材料 4D 打印技术 ， 开发了一种新型分段式软体爬行机器 人 。该机器 人 具备动态调整姿态并生成自适应运动模式的能力。多材料 4D 打印技术在软体机 器 人 的 制造过程中发挥了关键作用 ： 一方面 ， 实现了由柔性 LCE-MWCNTs 和刚 性丙烯酸树脂交替构成的 分节结构的制造 ； 另一方面 ， 通过巧妙的喷嘴外轮廓剪 切方法诱导介晶的梯度排列， 从而实现了每个节段的大曲率弯曲。此外，基于光 驱动策略的实施 ， 分节结构中的每个节段能够被独立且精确地控制，使爬行机器 人 可以 实现局部或整体的曲率变化 ， 进而生成多种姿态。这种 设计 使该机器 人 能够完成自适应运动行为，包括可控的双向爬行、爬行与滚动模式 之间的转换以及自我矫正行为， 充分展示了其在复杂地形中持续探索的能力。这 种受毛虫启发的分段式软体 机器 人 为构建具有更高操控自由度和更强环境适应性 的 软体智能系统提供了创新设计思路。
全文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202506987
来源：高分子科学前沿
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