浙江大学李铁风团队CRPS封面文章：无线水下软体机器人 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

2024年5月15日，浙江大学交叉力学中心李铁风团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表了一篇题为“A jelly-like artificial muscle for an untethered underwater robot”的论文。李铁风课题组由水母结构启发提出了一种高含水量的软体人工肌肉，并用于设计一种无线水下软体机器人。论文通讯作者为李铁风、杨栩旭，共同第一作者为李昕格、饶丁楠。通讯单位为浙江大学。

此外，本文被选为本刊5月封面文章，封面图片展示了新型仿水母人工肌肉在软体机器人中的三种创新应用：水母型水下机器人、扑动型水下机器人及水下软体抓手。这些应用充分展示了该人工肌肉在实现水下复杂动作及仿生运动方面的巨大潜力。

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研究亮点

1. 设计了一种仿水母结构的人工肌肉，其结构极其柔软且含水量高。

2. 新型人工肌肉融合了介电弹性体快速电响应和水凝胶高透明度的优势。

3. 新型人工肌肉具有机械损坏或电击穿后可快速修复的能力。

4. 新型人工肌肉可应用于多种水下软体机器人。

研究介绍

水下机器人是海洋探索的重要工具，由人工肌肉驱动的软体机器人在水下环境中表现出无声、高效和适应性强等优点，然而目前已有的人工肌肉在面向实际应用时往往受限于较低的驱动频率、复杂的供能系统等问题。

其中，介电弹性体（Dielectric Elastomer，DE）驱动器能够在水下快速响应电信号，在该团队以往的工作中也曾展示了一款介电弹性体驱动型软体机器人在深海游动的能力，然而，介电弹性体驱动器往往需要刚性框架来维持材料预拉伸以获得足够的变形，另外，驱动器的不透明电极以及高电压易击穿特性都限制了该类驱动器的广泛应用；水凝胶（Hydrogel）作为另外一种柔软且含水量高的软材料，其在水下环境中具备良好的适应性和隐蔽性，但响应缓慢与性能不稳定的问题依然存在。

为此，该团队从水母结构获得启发，提出一种新型的、D-H-D结构（DE-Hydrogel-DE）人工肌肉，其中水凝胶既作为介电弹性体预拉伸后的软体支撑框架，又起到导电电极作用，而两侧的介电弹性体薄膜则保护水凝胶不发生失水，同时响应电信号产生变形动作。

该团队对这种仿生人工肌肉的机械性能和驱动表现进行了表征，结果显示其具有优异的柔性（弹性模量66.9 kPa）和较高的含水量（83.3%），能够响应电压信号产生特定的变形动作，并实现水下推进和方向转换，此外，这种人工肌肉在经历机械破损或电击穿后，能够快速修复，并保持原有的驱动能力。

该团队利用这种人工肌肉构建了一种无线水下机器人，其最高游速达0.91厘米/秒（0.3倍身长/秒），当配备一块500mAh锂离子电池时可持续游动15.7分钟。进一步地，通过调整形状尺寸或增加柔性支撑可以改变该人工肌肉的形态和运动模式，从而构建功能丰富、运动模式多样的水下机器人。

这项研究展示了一种极柔软、高含水的人工肌肉在水下机器人领域的应用潜力，为未来的水下机器人开发提供了新的思路和方法。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

A jelly-like artificial muscle for an untethered underwater robot

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386424002170

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101957

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