封面设计理念

封面自左向右分别展示了光、湿度、热和电场等不同外界刺激下实现持续自主运动行为的软体机器人，分别为：受昆虫飞行肌肉结构的启发，开发的基于对抗收缩机制的光驱液晶弹性体高功率自激振荡器（光驱动）；利用蒸发产生的能量，基于湿度敏感的琼脂糖膜，制造的可以在恒湿环境中以编程轨迹进行自发连续自滚动的软体机器人（湿度驱动）；基于4D打印技术制造了手性螺旋结构的液晶弹性体，利用手性结构与热源的动态接触点及在温度梯度下的不均匀曲率，软体机器人可在高温表面实现无束缚的可持续定向滚动（热驱动）；受Feynman工作启发，开发的基于导电液晶弹性体辐条非对称收缩驱动的自滚动软体机器人，无需人为干涉的外部电源，该智能轮结构实现了稳定电能激励下独立可持续的自主运动（电场驱动）。

文章亮点

       介绍了基于自我调节策略开发的自主运动软体机器人。通过结合自振荡、自维持及螺旋手性等结构机制，采用智能高分子材料构建的软体机器人能够在无需人为干涉的外界刺激（如光、电、热及湿度）下实现持续自主运动，从结构设计与材料创新层面推动软体机器人向更高效、灵活及智能化的方向发展。

文章背景

       智能聚合物材料能够响应外部信号或环境刺激以改变自身特性和宏观形状，被广泛应用于软体机器人的设计与研究。科学家们在软体机器人的智能材料变形致动研究领域已取得重大进展。从自然界生物运动中汲取灵感，赋予软体机器人自主性和自调节性的持续运动能力成为当前科学家们研究的热点。然而，开发智能聚合物材料自主软体机器人面临的一个重要挑战是，如何在无人为干涉的外部刺激下，实现软体机器人的持续自主运动。

文章概述

     基于上述背景，江苏大学机械工程学院徐琳教授课题组对基于智能聚合物材料自调节策略开发的自主运动软机器人进行了全面综述，重点介绍了自主软体机器人的材料结构设计和自主运动机制，总结了自主软体机器人运动过程中智能材料自调节和恢复的方法策略，并分析了其在开发和应用中存在的不足和未来的发展方向。图1为智能材料软体机器人自调节和恢复的策略总结。

图1 智能材料软体机器人自调节和恢复的策略：自振荡、多激励响应、智能结构、手性自推进结构和拓扑结构 

 在智能材料致动器的应用中，恢复时间通常显著长于致动时间，这一特性限制了软体机器人实现连续自主运动的能力。构建自主振荡运动系统的关键在于能量吸收与机械功输出之间的动态平衡。一种有效的策略是通过设计机械结构，构建自阴影或自遮挡等自反馈调节回路，从而实现自主振荡运动。例如，在光致振荡系统中，智能材料致动器能够感知并响应外界光源，其形变进一步调节输入光源，形成内置的反馈回路，驱动周期性的自主振荡行为。图2为基于自阴影的自调节策略。图3为基于自遮挡的自调节策略。

图2 自阴影调节策略。(a)水凝胶致动器在稳定光源下持续振荡; (b)光响应型连续爬行软体机器人; (c)自阴影调节输入光源的自爬行软体机器人; (d)液晶弹性体薄膜自阴影引发的连续振荡; (e)自主远离光源的帆船和追踪光源的自旋转装置。

图3 自遮挡调节策略。(a)液晶弹性体人工肌肉实现光响应高频摆动; (b)液晶弹性体微纤维自主升降负载和扑翼; (c)致动器在恒定光照下通过自遮挡呈现连续的蛇形机械波运动; (d)恒定光照下，致动器利用负载遮挡的实现持续振荡; (e)致动器在恒定光输入下通过层间拮抗作用实现自遮挡调节的高频振荡。 

 基于重力协同可推动智能结构对称性的破坏与恢复，从而实现智能结构软体机器人的自主连续运动。图4展现了自主运动智能结构基于重力协同的对称性破坏与恢复。 

图4 重力协同的智能结构对称性破坏与恢复。(a)半椭圆状液晶弹性体致动器在重力和不同温度的协同作用下实现多模式自主运动（持续摆动和自主滚动）；(b)液晶弹性体致动器在热表面上的连续摆动；(c)由电驱动液晶弹性体和导电轨道构成的自滚动系统；(d)软体机器人的向光性连续滚动；(e)电驱动液晶弹性体辐条的非对称收缩与重力的协同作用下，轮式软体机器人实现连续自主滚动；(f)重力协同的自主漫步的软体机器人系统；(g)湿度响应软体机器人的周期性自滚动。 

 在恒定刺激和驱动条件下，软致动器通常表现出响应的一致性和运动的可重复性。通过开发多刺激响应型智能材料，构建具有多模态转换功能的自主运动系统，成为实现软体机器人在复杂环境下自主适应与智能行为的关键策略。图5为多环境刺激下的自主运动示意图。 

图5 多环境刺激下的自主运动。(a)具有双稳态的水凝胶在不同化学环境刺激下连续摆动；(b)液晶弹性体致动器分别在干燥和黏性环境中自主滚动和跳跃，实现了对外部刺激的自主感知和运动模式的自适应调节。

 此外，软体机器人实现连续自主运动的关键在于克服系统向热力学平衡态或稳定态演化的内在趋势。开发具有有限能量激励和物理智能特性的手性自推进结构体系，能够通过离散和动态的响应点与外界激励相互作用，为克服致动器恢复时间长的挑战提供了新的解决方案。图6为基于手性自推进结构的软体机器人示意图。

图6 基于手性自推进结构的软体机器人。(a)手性螺旋致动器解捻引发的自主滚动；(b)基于3D打印技术制造的液晶弹性体致动器，在热板上的呈现手性螺旋状的热变形和自主滚动；(c)手性结构致动器在不同温度下的圆周滚动；(d)弹簧手性结构的致动器稳定光场下加热时远离，冷却时返回，形成光机械反馈回路；(e)液晶弹性体波环的自舞运动。 

 扭转结作为一种具有独特自相似性和稳定形态特征的拓扑结构，可通过打破自身对称性诱导自阴影效应或预应力分布，产生温度梯度或应变失配，从而引发自主运动。图7为拓扑元素启发的结机器人机理。

图7 拓扑元素启发的结机器人。(a)通过引入预应变(内侧为压缩，外侧为拉伸)，环形机器人和绳结机器人在热表面作用下产生应变失配，引发自主运动；(b)引入内部手性的圆环在稳定热源上时展现出翻转—自旋—轨道运动的自主耦合运动；(c)基于4D打印参数编程的自卷曲致动器；(d)莫比乌斯带在均匀光场下的自振荡和自旋转运动。 

      本文为“Smart Elastomers and Actuators”专题特约稿件，该工作即将以综述形式在Chinese Journal of Polymer Science印刷出版。硕士研究生朱陈、刘博宇是论文的共同一作，徐琳教授为通讯作者。

原文信息：

Zhu, C.; Liu, B. Y.; Zhang, L. Z.; Xu, L.

Chinese J. Polym. Sci., 2025, 43, 535-547.

DOI: 10.1007/s10118-025-3284-z