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  傳統(tǒng)的活性材料驅(qū)動(dòng)器往往存在運(yùn)動(dòng)難以控制，以及運(yùn)動(dòng)軌跡難以預(yù)測(cè)等問題。近日，研究人員設(shè)計(jì)出一種由紅外光驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，可以沿著既定軌道在空中運(yùn)輸物體，類似于空中纜車。這種軟體機(jī)器人能夠在最大80度的坡度上攀爬，并能承載高達(dá)自身重量12倍的負(fù)載。此外，設(shè)計(jì)者為了測(cè)試該結(jié)構(gòu)對(duì)于不同軌道的容錯(cuò)性，對(duì)不同材質(zhì)、尺寸，甚至存在尺寸突變的軌道進(jìn)行了測(cè)試。

  近日，研究人員設(shè)計(jì)出一種由類似絲帶狀，可沿軌道爬行的軟體機(jī)器人（圖1），其材料為液晶彈性體，經(jīng)過扭轉(zhuǎn)（類似意大利螺旋面條的形狀），然后將末端連接，形成一個(gè)類似手環(huán)的閉環(huán)。具體來(lái)說，這個(gè)螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)繞著軌道纏繞了兩到三圈，使得環(huán)以與軌道平行的角度懸掛。由于該材料出色的熱驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，當(dāng)暴露在與軌道垂直的紅外光下時(shí)，吸收光線最多的絲帶部分會(huì)收縮，產(chǎn)生滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)：被照射的部分收縮，將溫度較低的部分拉入光照區(qū)域，這部分隨后加熱，而先前加熱的部分開始冷卻，如此循環(huán)往復(fù)。隨著軟體環(huán)的自我扭轉(zhuǎn)滾動(dòng)，它便沿著軌道移動(dòng)。

圖1：(A) 螺旋環(huán)狀軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其工作原理。(B) 該結(jié)構(gòu)在工作過程中的紅外攝像溫度圖。

  由于該工作受到空軌和纜車等常見的交通工具啟發(fā)，測(cè)試者將其懸掛與地面呈不同角度的鋼絲軌道上，以測(cè)試其攀附爬行的穩(wěn)定性。由于并非直接懸掛，而是得益于螺旋環(huán)裝本身的螺旋結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)可以通過調(diào)節(jié)懸掛于軌道上的圈數(shù)來(lái)改變摩擦力，使其攀附得更加牢固，最高可爬行坡度可達(dá)接近垂直的80余度（圖2）。

圖2：該軟機(jī)器人沿不同角度的軌道攀緣，最陡可達(dá)與地面夾角為80°。

  研究人員展示了軟體環(huán)形機(jī)器人可以在細(xì)如人類頭發(fā)或粗如吸管的軌道上運(yùn)行。軟體機(jī)器人還能克服軌道上的障礙，比如打結(jié)或隆起（圖3A）。研究人員還演示了機(jī)器人可以承受自身重量12倍左右的負(fù)載（圖3B）。

圖3：該軟體機(jī)器人適用于不同場(chǎng)景完成作業(yè)。(A) 軌道上存在打結(jié)以模擬突變/污損； (B)對(duì)該環(huán)狀結(jié)構(gòu)施加自身重量十倍以上的負(fù)載； (C) 軌道存在尖角；(D) 軌道為更加復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)；(E)軌道本身為柔性體，且處于完全松弛狀態(tài)。

  此外，傳統(tǒng)纜車的纜繩具有一定的條件限制，該設(shè)計(jì)在克服這些限制上做出了一些突破（圖3C-E），例如對(duì)于剛性纜繩，若纜繩存在非光滑的突變，例如需要轉(zhuǎn)過銳利的角度，該材料自身柔性的特征就能使其產(chǎn)生一個(gè)局部跳變，使其能夠自由靈魂地通過該角度。另外，對(duì)于更加復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，例如螺旋狀結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人仍舊可以靈活通過，理論上講，該驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)光存在的溫度場(chǎng)內(nèi)可以經(jīng)由架設(shè)的軌道到達(dá)任意位置，這也是軌道鋪設(shè)的優(yōu)勢(shì)所在。

  該工作標(biāo)題名為《Aerial Track-Guided Autonomous Soft Ring Robot》并發(fā)表在Advanced Science上。第一作者為北卡羅萊納州立大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系博士生漆方杰，通訊作者為該系尹杰教授，共同作者還有該系博士生周才植，清海濤，以及孫昊澤。

  文章信息：

  F. Qi, C. Zhou, H. Qing, H. Sun, J. Yin, Aerial Track-Guided Autonomous Soft Ring Robot. Adv. Sci. 2025, 2503288.

  https://doi.org/10.1002/advs.202503288