作者与机构及发表信息 本文的主要作者是Prakash Karipoth、Adamos Christou、Abhilash Pullanchiyodan以及Ravinder Dahiya。他们均隶属于英国格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的柔性电子与传感技术（BEST）研究组。该研究成果以“Bioinspired inchworm- and earthworm-like soft robots with intrinsic strain sensing”为题，发表在Wiley-VCH GmbH旗下的期刊《Advanced Intelligent Systems》上，并于2021年9月1日在线发表。

研究的学术背景 本研究属于软体机器人（Soft Robotics）领域，具体聚焦于赋予软体机器人本体感知（Proprioception）能力的关键挑战。在生物界，诸如尺蠖（inchworm，属节肢动物门）和蚯蚓（earthworm，属环节动物门）等生物能够通过其本体感受器和神经系统协调复杂的运动，以适应不确定的环境。仿照这些生物的运动模式，研究人员已经开发出多种能够在狭窄空间移动的软体机器人，展现了在受限环境中应用的潜力。

然而，当前软体机器人领域的一大瓶颈是缺乏实时的、可靠的感官反馈。大多数已报道的仿生软体机器人仅能模仿生物简单的运动模式，而无法实现需要精确控制的复杂任务（如抓握和精细操控）。这主要是因为将刚性的传感器集成到柔软、可拉伸、可大变形的软体机器人结构中非常困难。刚性传感器会限制机器人的运动和弯曲能力，其与软体主体之间巨大的机械性能不匹配会导致系统易损。此外，常用软弹性材料的滞后和非线性行为、软体在驱动下复杂的动力学和超弹性变形，都使得利用传感器进行精确建模和控制极具挑战性。因此，迄今为止，几乎所有的软体机器人操作和控制演示都缺乏感官反馈，依赖于预编程的刺激变化或即时手动调整。

为了突破这一局限，实现像生物器官那样的、传感与驱动无缝融合的“本体感知软体机器人”（proprioceptive soft robots），本研究旨在开发一种具有内在应变感知（intrinsic strain sensing）能力的软体结构。其核心目标是：将超拉伸、高灵敏度的应变传感器无缝嵌入软体机器人内部，从而提供实时的形变反馈，最终实现基于传感反馈的、受控的仿生软体机器人运动。

研究的详细工作流程 本研究主要包含两个相辅相成的核心部分：首先是超拉伸应变传感器的制备与性能表征，其次是利用该传感器构建并演示具有内在感知能力的仿尺蠖和仿蚯蚓软体机器人。

第一部分：超拉伸应变传感器的制备与表征 1. 传感器制备：研究团队采用了一种自制的石墨浆料（graphite paste）作为传感材料。该浆料由石墨粉末、分散剂Triton X-100和乙基纤维素溶于萜品醇中，经长时间磁力搅拌制成。传感器的软体结构部分则使用Ecoflex 00-30硅橡胶。通过复制成型法（replica molding approach）进行制作：将一根直径约1毫米的实心塑料棒作为芯轴（mandrel），在其表面均匀涂覆混合好的Ecoflex预聚物，固化后抽出塑料棒，即得到中空的弹性体管。随后，使用注射器将制备好的石墨浆料小心地注入管内。最后，在管的两端用银浆制作电接触点并进行封装，从而制成管状应变传感器。其外径约为2毫米。

1. 性能表征实验：为了评估传感器的机电性能，研究团队搭建了一套定制的应变响应测试装置。该装置由两个由定制LabVIEW程序控制的步进电机平台组成。传感器的两端分别固定在两个电机平台的边缘，通过电机同步的向前和向后运动对传感器施加线性应变。同时，使用数字万用表通过LabVIEW接口记录传感器的瞬时电阻值。

2. 表征流程与数据分析：

   • 动态循环应变测试：对传感器施加多个最大应变幅值（5%， 10%， 50%， 100%， 200%）的连续循环拉伸（20个周期），记录其电阻的相对变化（δR/R0）。该测试用于评估传感器的灵敏度、重复性和响应范围。
   • 极限拉伸测试：手动拉伸传感器直至弹性体断裂，以确定其最大可拉伸极限。记录断裂前的最大应变值和对应的电阻变化曲线。该测试用于验证传感器的超拉伸性能。
   • 数据分析：主要分析电阻变化与施加应变之间的函数关系，计算不同应变范围内的灵敏度（如Gauge Factor），并将性能参数与现有文献报道的类似传感器进行对比（参见支持信息中的图S1）。

第二部分：仿生软体机器人的构建与运动演示 基于上述超拉伸应变传感器、Ecoflex弹性体以及磁驱动原理，研究团队设计并制造了两种仿生软体机器人。

1. 仿蚯蚓软体机器人的构建：

   • 结构与制作：在管状传感器设计的基础上进行改进，制作出直径4毫米、长度约4.5厘米的空心圆柱形Ecoflex结构，内部填充石墨浆料作为传感通道。为了赋予其磁驱动能力，在机器人的头尾两端内部各嵌入了一组（10个）微小的N42级钕铁硼（NdFeB）永磁体。这类似于蚯蚓的肌肉系统，能够响应外部磁场而产生运动。
   • 实验设置与运动逻辑：机器人被放置在一个水平放置的透明管内（直径约1.5厘米）。管外下方，两个线性电机平台（各附带一块大的NdFeB永磁体）分别对准机器人的头部和尾部。运动模仿蚯蚓的“伸长-收缩”周期性蠕动： a. 伸长阶段：尾部磁体（电机）保持静止以固定尾部，头部磁体（电机）向前移动，吸引机器人头部使其身体被拉伸。此时，嵌入的应变传感器被拉长，电阻随之增加。 b. 反馈触发：当电阻值达到预设的上限阈值（例如5 kΩ，对应特定的伸长量）时，LabVIEW控制程序触发尾部电机开始向前移动。 c. 收缩阶段：尾部电机移动，拖动机器人尾部向前，使被拉伸的身体收缩回原始长度。同时，传感器电阻下降。 d. 循环启动：当电阻下降到预设的下限阈值（对应平衡状态）时，程序再次启动头部电机，开始下一个运动周期。
   • 控制模式：为了展示闭环控制对非编程刺激的自适应性，实验中采用了混合控制模式：头部电机由传感器反馈自动控制（闭环），而尾部电机则采用手动控制。实验演示了单个运动周期和连续五个周期的可控运动。

2. 仿尺蠖软体机器人的构建：

   • 结构与制作：采用3D打印模具来塑造尺蠖的形状。将Ecoflex预聚物混合物倒入一个长4厘米、截面直径约0.6厘米、内部有直径1毫米通道的模具中，固化后得到尺蠖状的弹性体结构。随后，向内注入石墨浆料，并在头尾两端同样嵌入微型NdFeB磁体对，最后密封并制作电极。
   • 实验设置与运动逻辑：机器人在开放平台上演示，模仿尺蠖的“拱起-伸展”爬行运动。两个外部磁体（附着在线性电机上）分别对准机器人的头尾。 a. 弯曲（拱起）阶段：保持头部磁体静止，尾部磁体向头部方向移动，吸引机器人尾部，使其身体发生弯曲。弯曲形变导致嵌入传感器的电阻增加。 b. 反馈触发与伸展：当电阻达到上限阈值时，头部电机开始向前移动，推动机器人身体变平（伸展），电阻随之下降。 c. 循环：电阻降至下限阈值后，尾部电机再次动作，开始新的循环。
   • 控制模式与变体：同样采用头部手动、尾部自动的混合控制模式演示了多周期前进、后退运动。此外，研究还展示了单磁体驱动模式：仅用一个外部磁体在机器人中部附近周期性靠近和远离，也能诱发类似的尺蠖式运动，并记录了相应的、噪声更小的传感器响应。

研究的主要结果 第一部分：应变传感器性能结果 1. 超拉伸性：制备的管状应变传感器展现出高达900% 的断裂拉伸极限，这与Ecoflex材料本身的极限拉伸性能相符，确保了传感器在软体机器人应用中的安全形变范围。 2. 高灵敏度与响应特性： * 在动态循环应变测试中，传感器电阻变化与施加应变成比例。例如，在最大应变为5%、10%、50%、100%和200%时，最大电阻相对变化（δR/R0）分别约为13%、30%、100%、150%和300%。这些值显著高于文献中报道的许多类似材料和设计的应变传感器（参见支持信息图S1）。 * 在极限拉伸测试中，传感器在约700%线性应变时，灵敏度（Gauge Factor）达到约10^5量级；在200%应变以下，灵敏度约为10^3。其响应在100%-600%应变范围内呈现良好的线性关系。 3. 快速响应：传感器能即时响应应变变化，无明显延迟，这对其在实时闭环控制中的应用至关重要。

第二部分：仿生软体机器人演示结果 1. 仿蚯蚓机器人： * 成功实现闭环可控运动：基于嵌入传感器的实时电阻反馈，机器人能够模仿蚯蚓的蠕动步态，在透明管内进行受控的周期性前进。 * 运动参数：在一个演示周期中，机器人被拉伸至原长约33%（电阻变化约1150%），单周期行进2.5厘米，耗时33秒（平均速度约0.8厘米/秒）。在另一个五周期演示中，总行进2.5厘米，耗时23秒。 * 意义：该演示验证了利用内在应变感知实现软体机器人闭环位置控制的可能性，类似于在血管等体内环境中进行可控移动。

1. 仿尺蠖机器人：
   • 成功实现基于弯曲感知的闭环运动：机器人能够根据弯曲形变引起的电阻变化，执行受控的尺蠖式爬行。
   • 运动参数：在闭环控制下，机器人完成了三个运动周期，总行进距离25毫米，耗时约50秒。设定的反馈电阻阈值（δR/R0）下限和上限分别约为200%和350%。
   • 双模式驱动验证：除了双磁体驱动模式，单磁体驱动模式也成功诱发了运动，且传感器响应噪声更小，展示了驱动方案的灵活性。

逻辑关系：超拉伸、高灵敏度传感器的成功研制是后续构建具有内在感知能力软体机器人的前提和基础。传感器优异的性能确保了其能够承受并精确测量软体机器人在运动过程中产生的大形变。而两种仿生机器人的成功演示，则是该传感器在软体机器人领域中功能性的直接验证，证明了“无缝嵌入”传感材料以实现本体感知和闭环控制的可行性。传感器性能结果与机器人运动演示结果相互支撑，共同指向研究的核心结论。

研究的结论与价值 结论：本研究成功开发并演示了世界上首个具有记录级拉伸性能（900%）和内在应变感知能力的仿生软体机器人。通过将定制石墨浆料传感材料无缝嵌入软体结构，实现了类似生物器官的传感-驱动一体化设计。基于此，构建的仿蚯蚓和仿尺蠖软体机器人能够利用嵌入传感器的实时反馈，在外部磁场驱动下实现精确的闭环可控运动。这项工作标志着软体机器人向拥有“本体感知”能力的生物系统迈出了关键一步。

价值： 1. 科学价值： * 为解决软体机器人领域长期存在的“感官反馈缺失”核心挑战提供了一种创新且有效的解决方案：内在传感。 * 验证了将超拉伸传感器无缝嵌入软体结构以实现本体感知和闭环控制的可行性，为“认知软体机器人”（cognitive soft robotics）的发展奠定了基础。 * 展示了仿生设计、材料科学（石墨复合材料）、柔性电子与软体机器人技术的成功交叉融合。 2. 应用价值： * 所演示的受控、精细化运动在生物医学领域极具应用前景，例如未来可用于体内微创手术、血管内介入治疗（如清除血栓）、消化道检查等，机器人能够在复杂、柔性的体内环境中安全、可控地导航和执行任务。 * 该内在传感方案具有普适性，可与其他驱动技术（气动、电活性、介电、形状记忆合金等）结合，应用于各种需要精确形状控制和环境交互的软体机器人场景。

研究的亮点 1. 开创性的内在传感集成：提出了“无缝嵌入”传感材料的理念，实现了真正意义上的、不占用额外空间、不限制软体变形的本体感知软体结构，模仿了生物器官的传感-驱动一体化特性。 2. 记录级的传感器性能：研制的应变传感器同时具备了900%的超高拉伸性和极高的灵敏度（在700%应变下GF约10^5），其综合性能在当时处于领先水平，为测量软体机器人的大变形提供了可靠工具。 3. 完整的“感知-驱动-控制”演示：不仅制作了传感器和机器人本体，更完成了从传感信号读取、阈值判断到驱动电机动作的完整闭环控制系统的搭建与演示，验证了整个技术路线的有效性。 4. 多样化的仿生验证：分别针对拉伸（蚯蚓）和弯曲（尺蠖）两种基本变形模式，设计了两种不同的机器人结构并进行成功演示，全面展示了该内在传感方案对不同运动模式的适用性。 5. 灵活的控制与驱动策略：实验中采用了自动与手动结合的混合控制模式，以展示系统对非编程刺激的适应性；同时探索了双磁体和单磁体两种驱动模式，增加了机器人控制策略的灵活性。

其他有价值的内容 研究在支持信息部分可能包含了传感器与文献性能对比图（图S1）、实验装置示意图（图S2）以及多个展示传感器拉伸、机器人运动的补充视频（Movie S1-S4），这些材料有力地支撑了正文中的实验结果和结论，为读者提供了更直观的理解。此外，论文详细描述了传感器和两种机器人的具体制备步骤（实验部分），具有可重复性，为其他研究者复现和进一步发展该技术提供了清晰的指南。