UCLA賀曦敏教授AM：仿生微型軟體機器人實現自我持續連續跳躍

在自然界中，昆蟲能夠從環境中汲取能量，實現長期、連續的跳躍運動，從而穿越復雜地形。受此啟發，研制具有類似自主持續運動能力的昆蟲尺度（亞克重）機器人，在偵察、災難恢復、環境監測等領域具有巨大應用潛力。然而，將能量收集、驅動和控制功能高效集成于如此微小的尺度內，并實現長期穩健的自主脈沖式運動，一直是該領域面臨的主要挑戰。

近期，加州大學洛杉磯分校賀曦敏教授、Ankur Mehta教授合作成功研制出一種僅重301毫克的光驅動、完全無電子元件的軟體機器人。它能夠像昆蟲一樣，僅利用持續的環境光（如日光）實現自主、連續的跳躍。單個機器人在一次測試中完成了188次不間斷跳躍，并且在一年內累計跳躍超過800次，性能未有衰減。這一壯舉得益于一種名為“自我維持重復翻轉”的創新驅動機制，該機制將能量收集、驅動和控制功能全部嵌入機器人的物理結構中。相關論文以“Self-Sustained, Continuous Jumping of a Light-Driven Electronics-Free Insect-Scale Soft Robot”為題，發表在

Advanced Materials

這項成果的核心在于一種被稱為“自我維持重復翻轉”的獨特驅動器。該驅動器主要由光響應液晶彈性體條帶、弧形彈性體梁和兩片百葉窗構成。LCE條帶在光照下發生光熱收縮，作為驅動源；弧形梁則引入了機械不穩定性。百葉窗被動地控制光線照射，與LCE-梁復合體的動力學行為耦合，形成了一個基于動態光-材料相互作用的“自遮光”內置反饋回路。當光照加熱LCE導致梁“啪”地一聲快速翻轉向下（突跳失穩），百葉窗隨之關閉，遮擋光線使LCE冷卻復原，梁又“啪”地一聲快速彈回原位。這一循環過程無需任何電子控制，即可實現持續、高速的重復翻轉運動。

圖1：基于SSRS機制、能連續跳躍的自我維持昆蟲尺度機器人。 A) 舉例來說，蚱蜢利用從環境中獲取的能量進行重復跳躍來移動和克服障礙。 B) 類似地，我們的機器人能夠利用恒定光能進行連續跳躍。 C) SSRS主要由一個LCE條帶、一個弧形彈性體梁（其兩端固定在木框上）和兩個百葉窗組成。弧形梁的幾何形狀由公式1定義。 D) LCE發生可逆的光熱驅動。 E) 單穩態LCE/弧形梁復合梁的示意性力-位移圖。當LCE的（光）熱致收縮力達到臨界值Fst時，梁突跳到向下位置，導致能量ΔE（綠色高亮部分）的突然釋放。當力減小到低于回彈力Fsb時，梁彈回向上位置。 F) SSRS機制的工作原理圖。百葉窗控制LCE對光照的暴露，當與單穩態復合梁結合時，產生了一個由自遮光實現的內置反饋回路，用于循環突跳。 G) 一個SSRS器件在多個周期中，復合弧形梁頂點的代表性位移和溫度曲線。 H) 對(G)中一次突跳事件的位移曲線放大圖。頂點的最大速度可達約680 mm s?1。突跳事件后觀察到梁的振動。

研究人員通過光-熱-機械有限元仿真深入探究了突跳過程的動力學。仿真結果與實驗觀測高度吻合，清晰地展示了在光照下，LCE的收縮導致系統彈性勢能積累，達到臨界點后通過突跳快速釋放并轉化為動能的過程。仿真還表明，具有更低相變溫度和更大驅動應變的LCE能夠釋放更大的動能。

圖2：突跳屈曲的光-熱-機械有限元分析。 A) 一個周期內三個時刻實驗與仿真變形情況的并排比較（左：SSRS器件快照，入射光從器件正上方照射；右：FEA得到的沿x方向的應變分布圖，未顯示邊界約束）。 B) 一次突跳事件中，器件頂點測量位移與模擬位移的關聯。 C) 實驗數據與模擬的梁頂點速度曲線比較，插圖中展示了突跳事件的細節放大圖。 D) 整個突跳過程中，器件（包括LCE和弧形彈性體梁）彈性勢能與動能的演變。

為了優化用于跳躍機器人的驅動器性能，研究團隊系統探究了幾何參數對單次突跳所釋放的“比能量”和“比功率”的影響。實驗發現，弧形梁的歸一化高度和厚度是關鍵設計變量。存在一個“單穩態”參數區間，在此區間內驅動器既能發生突跳又能自動彈回，是實現循環跳躍的理想狀態。研究表明，通過選擇合適的幾何參數，該驅動器的比輸出功率可達約99 W/kg，與一些采用閂鎖機制跳躍的昆蟲（如沙漠蝗蟲）的功率密度相當。

圖3：輸入功率和幾何參數對釋放能量和輸出功率的影響。 (A-C) 比釋放能量分別作為光強I（d = 1.3 mm， H = 4.0 或 5.0 mm）、歸一化高度H（d = 1.3 mm， I = 1020 mW cm?2）和歸一化厚度d（H = 4.0 mm， I = 1020 mW cm?2）的函數。 (D-E) 比峰值功率分別作為光強I（d = 1.3 mm， H = 4.0 或 5.0 mm）、歸一化高度H（d = 1.3 mm， I = 1020 mW cm?2）和歸一化厚度d（H = 4.0 mm， I = 1020 mW cm?2）的函數。誤差棒代表三次不同測量值的標準差。H = H/L， d = d/L。(B, C, E, F) 中淺灰色陰影區域的梁未顯示突跳行為。

基于上述驅動器，研究者構建了昆蟲尺度的跳躍機器人。他們在驅動器底座上巧妙安裝了兩根碳纖維細絲作為“平衡桿”，構成了一個被動自扶正機構。這一簡單設計確保了機器人著陸后能自動恢復直立姿態，為下一次起跳做好準備。在恒定光照下，機器人成功實現了連續、無纜的自主跳躍。通過改變弧形梁的設計（如增加高度），可以誘導非對稱的S形突跳模式，從而為跳躍附加水平分量，實現定向移動。

圖4：在恒定可見光下的自主、重復跳躍行為。 (A) 基于SSRS機制構建的跳躍機器人示意圖。突跳運動提供推動機器人起跳的沖量。 (B) 跳躍機器人的光學圖像，由附著在SSRS器件底座上的兩個平衡桿組成。 (C) 平衡桿作為被動自扶正機構，在著陸后將機器人推至直立狀態。 (D) 帶有平衡桿的跳躍者成功著陸。 (E) 沒有平衡桿的跳躍者著陸失敗。 (F) 跳躍機器人在一系列連續跳躍中的快照和位移曲線。 (G) 圖(D)中機器人的起跳過程（H = 4.0 mm, d = 1.3 mm， 光強 I = 928 mW cm?2）。上方為關鍵圖像幀；下方為弧形梁的形狀演變。該梁在突跳過程中具有對稱的過渡模式，導致如圖(D和F)所示的垂直跳躍。 (H) 具有更深梁（H = 5.0 mm， d = 1.3 mm， I = 928 mW cm?2）的機器人起跳過程。該梁顯示非對稱過渡，改變了起跳角度從而導致定向跳躍(I)。 (J 和 K) 圖(H和I)中機器人一系列定向連續跳躍的快照和位移。

這些微型機器人展現出了令人印象深刻的功能性與魯棒性。它們能夠跳過約自身身高1.6倍的障礙物并繼續前進。即使短暫承受相當于自身重量約1700倍（500克）的重壓，移除重物后其跳躍性能也幾乎不受影響。得益于突跳時的高速運動，機器人還具有自清潔能力，能抖落附著在表面的污染物。實驗還證明，僅使用菲涅爾透鏡聚集的太陽光，機器人就能在戶外實現持續的跳躍運動。

圖5：跳躍機器人的功能能力。 A) 機器人能夠跳過26毫米高的障礙物，并隨后繼續移動。 B) 在承受了短時間相當于自身重量1700倍（圖中標為BW）的負載后，機器人恢復了其定向跳躍。 C) 跳躍機器人具有自清潔能力，由于突跳的高速運動，能將其表面的污染物（特征尺寸：0.2 – 1.0毫米）彈出。此處使用小鹽粒代表污染物以便于演示。跳躍方向和高度可能會受到污染物的影響。 D) 在聚集太陽光下連續跳躍的關鍵圖像幀（左）和垂直位移曲線（右）。使用菲涅爾透鏡聚集自然陽光，產生一個約15 cm × 15 cm見方、光強約1270 mW cm?2的聚焦光場。

更進一步，研究者展示了該平臺的應用潛力。通過在機器人上加裝一片濕潤的pH試紙作為傳感器，并利用反光片調整跳躍方向，他們演示了機器人能夠自主跳躍接近模擬的氨氣泄漏點，并在移動過程中成功完成氣體檢測任務，試紙顏色隨距離泄漏點變近而發生明顯變化。

圖6：用于危險氣體泄漏檢測的跳躍機器人。 (A) 使用我們的昆蟲尺度跳躍機器人作為危險氣體泄漏檢測平臺的場景示意圖。 (B 和 C) 配備反光片（質量可忽略）和pH傳感器（濕潤，約8毫克）的跳躍機器人（約315毫克）的示意圖和光學圖像。反光片可用于操縱起跳的方向和角度。 (D) 定向跳躍機器人的延時圖像。在模擬太陽光（1020 mW cm?2）下，機器人向右移動，朝向泄漏位置。在4次跳躍過程中，隨著機器人接近氨氣泄漏點，pH試紙逐漸由黃變紅。 (E 和 F) 跳躍機器人在執行氣體檢測任務期間的位移。

這項工作通過創新的“自我維持重復翻轉”機制，為研制完全自主、能量自給的昆蟲尺度軟體機器人開辟了一條新路徑。它將能量收集、驅動和基于物理的智能控制無縫集成于一個無電子元件的輕量級軟結構中，實現了長期、高功率的脈沖式運動。未來，通過集成更豐富的微傳感器、探索其他刺激響應材料或更高效的不穩定性結構，這類機器人的性能和應用范圍有望得到進一步擴展，最終為實現能在真實復雜環境中長期自主工作的微型機器人集群邁出關鍵一步。