【仪表网 研发快讯】近日，西北工业大学空天结构技术重点实验室张卫红院士团队与香港城市大学吕坚院士、香港理工大学王钻开教授合作，在软体机器人领域取得了新进展，成功开发出一种基于新型电活性聚合物的多功能机器人，有望满足复杂结构和极寒环境下的应用需求。该研究成果以“Vinyl Acetate-Enhanced Polyvinyl Chloride Gel with High Electroadhesion and Self-Heating-Tunability for Soft Robots in Freezing Environments”为题在国际知名综合性期刊《Advanced Science》上在线发表。
电活性聚合物是一类可在电场作用下产生大幅度形变的智能材料，广泛应用于人工肌肉、软体机器人等前沿领域。随着应用场景的不断扩展，机器人对系统的多功能集成能力提出了更高的要求。传统电活性聚合物往往仅具备电致变形功能，难以满足环境适应性及系统集成需求。因此，开发具备多模式响应行为的智能材料并实现功能集成，是当前软体机器人研究中一个亟需解决的问题。
在本研究中，团队开发了一种具备低电压驱动、高电吸附力和可控自加热的新型聚氯乙烯基电活性聚合物。通过在聚氯乙烯凝胶中引入乙酸乙烯酯，有效抑制了因塑化剂迁移引起的发热与电击穿问题，同时显著提升了材料的介电性能与力学性能。与现有材料相比，新型材料的发热量降低超过50%，使用寿命延长15倍以上，输出力提升1.75倍，电吸附力提升2.15倍，在2 V/μm的低电场下即可实现30kPa的强吸附力，远优于传统静电吸附结构。此外，研究还提出多种电压控制策略，可实现材料的按需自加热或进一步发热抑制。
图1 材料设计和多功能软体机器人示意图
在此基础上，研究团队开发出具备快速爬行、低温环境自加热、模块化组装与协同作业能力的微型软体机器人。机器人结构紧凑，响应灵敏，在仅72.5V的低电压下即可驱动运动，显著低于现有同类系统。通过集成的电吸附结构，机器人集群可在毫米尺度内实现快速连接与脱粘，在狭小空间内完成自主重构，具备优异的群体协作能力。
图2 集群机器人的运动及自重构。(A-F) 集群机器人的动力学响应和运动；（G-H）复杂空间中机器人的自重构
在极寒环境测试中，机器人可在-50°C环境下完成自主加热、以及巡检和冰层融化等任务。在航空发动机叶片检测、狭缝探测和寒区作业等应用场景中展现出显著优势。相关成果为极端环境下小型智能机器人系统的研发提供了新思路，也展示了该类材料在电子器件、仿生系统和智能制造等领域的广泛应用前景。
图3 机器人可控发热和冰冻环境运动。(A-C) 机器人的可控发热性能；（D-F）机器人在寒冷冰冻中执行不同的任务
西北工业大学张军诗教授、刘磊副教授、朱继宏教授和香港城市大学吕坚院士为共同通讯作者，西北工业大学博士研究生韦畅为论文第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
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