基于一维和二维纳米材料的无束缚软体机器人研究进展综述

本文是由Jingwen He、Peng Huang、Bingjue Li、Youqiang Xing、Ze Wu、Tung-Chun Lee和Lei Liu*共同撰写的综述文章，发表于《Advanced Materials》期刊2025年第37卷。作者团队主要来自东南大学机械工程学院（School of Mechanical Engineering, Southeast University）和东南大学苏州研究院（Suzhou Research Institute, Southeast University），以及伦敦大学学院（University College London）的材料发现研究所和化学系。

研究背景与主题

这篇综述文章聚焦于基于一维(1D)和二维(2D)纳米材料的无束缚软体机器人(untethered soft robots)的最新研究进展。受自然界生物结构的启发，未来软体机器人正向自主性、可持续性和交互性方向发展。文章系统总结了这一领域的最新成就，重点关注纳米材料在软体执行器(soft actuators)设计中的应用及其运动机制。

传统刚性机器人在某些应用场景中存在显著局限性，而具有灵活性和小型化特点的软体机器人展现出更广泛的应用前景。作为软体机器人的主要组成部分，软体执行器能够执行更复杂精确的任务，模仿自然界中的生物运动，如爬行、跳跃、游泳、滚动、抓取和多模态运动等。然而，许多软体系统仍依赖电气或气动束缚，去除这些约束可显著扩展软体机器人的应用范围。

主要内容与观点

1. 基于1D/2D纳米材料的软体执行器

文章首先比较了不同结构设计的软体执行器性能。1D纳米材料如碳纳米管(CNTs)具有高弹性模量(>1 TPa)、优异的热稳定性(可达2800°C)和高导电性(10³ S cm⁻¹)。2D纳米材料如石墨烯(graphene)、氧化石墨烯(GO)和MXene则具有更大的比表面积、快速电荷转移、优异的机械柔性和显著的光热效应。

执行器结构可分为： - 单层薄膜：包括均匀结构和梯度结构。如Wang等开发的均匀MXene薄膜执行器在65%相对湿度差下可实现155°的最大弯曲角度 - 双层薄膜：通过主动层(热收缩/吸湿膨胀)和被动层(热膨胀/湿气惰性)的应力失配实现弯曲响应。Timoshenko的双金属片理论为这种设计提供了理论基础 - 三层薄膜：通常用于增强层间粘附或引入额外功能。如Wang等提出的PDMS-CNTs/PDMS/PVDF三明治结构薄膜执行器对有机溶剂刺激的响应时间仅10毫秒

2. 动态刺激下的机器人运动机制

文章详细讨论了模仿生物运动机制的多种基本运动形式：

爬行运动

• 单向爬行：通过不对称结构、局部刺激、手性结构或棘轮基底实现。如Mu等设计的自折叠活性石墨烯纸通过垂直和横向编程梯度实现了光驱动行走
• 多向爬行：通常通过增加机器人”腿”的数量实现。如Han等提出的集成通信模块的无束缚多向光驱动软体爬行机器人

跳跃运动

主要采用能量储存和瞬时释放机制。如Xu等受昆虫幼虫跳跃机制启发设计的基于MXene的光控软跳跃执行器，通过粘性闩锁积累和瞬间释放能量

游泳运动

分为水面游泳器和水下游泳器，驱动方式包括磁场、电场、声波和光热等方法。如Yang等开发的仿生光趋向性MXene增强软管状执行器具有全向自定向和光追踪能力

3. 静态刺激下的自持续运动

文章介绍了基于不平衡机制的各种自持续运动形式： - 光追踪(light tracking)：如Yang等设计的仿向日葵管状执行器可自主追踪移动光源 - 自振荡(self-oscillating)：利用材料对刺激的非线性响应产生持续振荡 - 自爬行(self-crawling)和自滚动(self-rolling)：通过不对称设计实现自主运动 - 飞行(flying)：如MXene/PE执行器在红外光、湿度或电场刺激下可实现飞行

4. 多功能集成软体机器人

文章总结了集成附加功能的软体执行器进展： - 传感功能：如Yang等开发的具有自感知和反馈控制功能的近红外驱动双形态薄膜 - 能量收集与存储：利用纳米材料的导电性和光电特性实现能量自主 - 自修复(self-healing)：通过动态共价键(如硼酸酯键)实现材料损伤后的自主修复 - 颜色响应(color response)：如MXene/SiO₂@PVDF执行器可对丙酮蒸汽产生颜色变化响应

挑战与未来展望

尽管基于1D/2D纳米材料的软体机器人取得了显著进展，文章指出该领域仍面临多项挑战： 1. 材料稳定性：如MXene易在潮湿环境中氧化，石墨烯大规模生产仍存在困难 2. 运动控制精度：在复杂环境中实现精确运动控制仍具挑战性 3. 能源供应：开发高效、持久的自主供能系统是未来研究重点 4. 多功能集成：如何协调多种功能并避免相互干扰需要深入研究

未来发展方向包括： - 开发新型稳定、高性能的纳米材料 - 设计更智能的自主运动控制系统 - 探索集群机器人协同行为 - 拓展在医疗、环境监测等领域的应用

论文价值与意义

这篇综述的价值主要体现在： 1. 系统性：首次全面涵盖了基于1D/2D纳米材料的无束缚软体机器人的基本运动、自持续运动和多功能集成 2. 前沿性：总结了该领域最新研究成果，包括2024年的最新进展 3. 指导性：指出了当前挑战和未来方向，为后续研究提供了清晰路线图 4. 跨学科性：融合了材料科学、机器人学、仿生学等多学科知识

文章通过300多篇文献的系统分析，为研究人员提供了这一快速发展领域的全面视角，将促进软体机器人技术的进一步发展与应用。特别是对纳米材料在软体执行器中应用的深入讨论，为设计新型高性能软体机器人提供了重要参考。