近日，一项关于柔性机器人的突破性研究在《Nature Communications》期刊上发表。该研究由来自中国科学院理化技术研究所低温科学及技术国家重点实验室的刘静研究员团队、北京林业大学王磊教授团队以及清华大学医学院生物医学工程系的研究人员合作完成。论文题为“Transformable 3D curved high-density liquid metal coils – an integrated unit for general soft actuation, sensing and communication”，于2024年8月正式在线发表。

一、 学术背景 本研究隶属于柔性电子学与软体机器人交叉领域。近年来，软体机器人因其出色的安全性和环境适应性展现出巨大的应用潜力。然而，开发具有高精度、大工作范围、多物理场感知能力和强大驱动力的先进软体机器人仍面临诸多挑战。一个核心难题是难以找到将传感与驱动功能集成于一体的单一单元。传统的柔性压力/温度传感器通常不具备运动能力，而诸如介电弹性体、气动肌肉等软体驱动器又通常不集成传感功能，这导致了机器人结构臃肿、系统复杂。

幸运的是，基于电磁力驱动原理的软体驱动器展现出更大的集成潜力。这种驱动器由一个软线圈构成，当处于外部磁场中时，通电线圈会产生力，从而驱动机器人运动。随着液态金属技术的发展，电磁驱动器得以从传统的铜线圈过渡到液态金属线圈。液态金属线圈不仅具有卓越的柔韧性，其电阻会随着压力导致的形变而改变，因而还具有本征的传感能力。然而，制造高密度、复杂的液态金属软线圈一直是一个重大挑战。传统方法难以在弹性体中形成高密度、三维、多层、曲面的液态金属通道，导致现有液态金属线圈多为单层二维平面结构，不仅难以实现弯曲表面，而且绝缘层较厚，严重限制了其在软体机器人中的应用性能。

因此，本研究旨在解决这一核心制造难题，开发一种超越传统漆包线结构密度的、可三维曲面化的高密度液态金属线圈。 研究目标不仅在于实现其作为高性能软电磁致动器的功能，更在于探索其作为集成单元，在一个单一器件中同时实现压力传感、温度传感、非接触距离传感、近场通信以及精确驱动等多种功能的可能性，从而为构建高度集成的、功能强大的软体机器人系统提供理论基础与实验依据。

二、 详细研究流程 本研究的工作流程主要围绕高密度液态金属线圈的设计、制造、性能表征及其多功能应用演示展开，具体可分为以下几个主要环节：

1. HD-LMC的设计与通用化制造方法开发：

   • 研究目标与设计：研究团队提出了“三维曲面高密度液态金属线圈”的概念。该单元采用三层堆叠的曲面线圈结构，全部由聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装绝缘，以实现高回弹性。线圈通道内填充共晶镓铟（EGaIn）液态金属作为导电核心。研究设计了三种不同导线直径（d = 0.68， 1.2， 1.7 mm，分别标记为HD-LMC0.68， LMC1.2， LMC1.7）的线圈，旨在有限体积内实现最大密度的三层堆叠。
   • 核心制造工艺：研究的关键突破在于开发了一种通用的、用于在柔性硅胶中制造复杂高密度通道的方法。该方法创新性地使用了低熔点金属Bi32In51Sn17合金（熔点约60.5°C）作为牺牲材料。其流程如下：
     • 将熔化的Bi32In51Sn17合金注入硅胶管，冷却凝固后剥离，得到用于制造线圈通道的金属芯线。
     • 通过旋涂和固化，在金属芯线外包裹一层PDMS薄膜，然后利用模具将其压制成预定形状的线圈。
     • 将包覆好的线圈结构放入3D打印的模具中，注入PDMS并进行固化。
     • 最后，在水浴中溶解洗去Bi32In51Sn17合金牺牲芯，形成中空通道，再注入EGaIn液态金属，从而成功制备出HD-LMC。
   • 方法的优势与验证：此方法通过精确控制BiInSn合金线的直径来调控最终液态金属通道的直径（d），通过调控PDMS薄膜的厚度来精确控制绝缘层的厚度（δ）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，无论通道直径如何，该方法都能实现最小绝缘层厚度稳定为0.1毫米，从而实现了极高的结构密度。研究人员定义了一个结构评价参数 k = d/δ 来反映线圈密度。研究发现，本工作制备的HD-LMC的k值（分别达到7， 12， 17）和d值均高于以往报道的液态金属线圈或导线，甚至超越了标准漆包线的结构密度水平。此外，该方法被证明具有普适性，可在锥面等复杂曲面上成功制造多层锥形线圈，并能使用环氧树脂、人体硅胶、Ecoflex等多种弹性体作为基体材料。

2. HD-LMC集成单元的机电-磁-热特性表征：

   • 研究内容：为了评估HD-LMC作为柔性驱动和传感基础单元的性能，研究对其机械、电气、磁学和热学特性进行了全面表征。
   • 机械性能：通过压缩测试评估其柔软度和机械可靠性。HD-LMC可承受超过357 kPa的极限压力和2.4毫米的极限压缩，显示出优异的机械可靠性。从相当于自身高度233.28倍的高度跌落测试后，内部线圈完好无损，导电性正常。
   • 电学性能：测量了三种HD-LMC在不同频率下的阻抗特性、电感和电阻。其中，HD-LMC0.68具有最高的线圈匝数密度，电感值为1.37 μH，但其电阻也最高，达391 mΩ。而HD-LMC1.7电阻最低，仅22 mΩ，可承载更大电流。
   • 磁学性能：测量了线圈通电后产生的磁场分布。HD-LMC0.68由于匝数多，在相同电流（2A）下能在中心产生更强的磁场（约2 mT）。磁场强度随距离增加呈指数衰减。此外，研究还演示了利用HD-LMC进行无线能量传输，成功点亮了LED灯板，验证了其作为能量传输耦合器的功能。
   • 热学性能：评估了HD-LMC的焦耳热行为，以确定其最大工作功率。为防止PDMS损坏，工作温度需低于150°C。测试表明，HD-LMC0.68在2A电流下可达142.2°C，而HD-LMC1.2和1.7则可分别耐受4A和8A电流。循环加热测试显示了良好的热稳定性。

3. HD-LMC在广泛软传感和通信设备中的应用验证：

   • 压力传感：利用HD-LMC在受压时内部通道空间位置变化导致电感改变的原理，将其设计为压力传感器。该传感器在宽压力范围（0.714-357.14 kPa）内实现了电感信号的线性响应，分辨率高达0.357 kPa，并表现出良好的循环稳定性和快速响应特性。其性能在传感范围和信号线性方面优于许多已报道的压力传感器。
   • 温度传感：利用PDMS的热膨胀效应，HD-LMC的电感对环境温度高度敏感，可实现温度传感。在27-100°C范围内电感呈良好线性变化，分辨率达0.2°C，并通过了重复温度循环测试，稳定性优异。
   • 非接触距离传感：基于涡流效应，HD-LMC可实现与金属表面的非接触距离传感。实验使用了多种金属片，电感变化信号与金属的磁导率正相关（如高磁导率的1J85合金可使电感增加17.71%）。该能力也可用于识别不同导电材料。
   • 近场通信：通过阻抗匹配电路，将HD-LMC用作近场通信天线。在13.56 MHz工作频率下实现了最小回波损耗S11低于-50 dB的宽带匹配。演示中，HD-LMC成功实现了接收/发送短信、创建联系人、拨打电话、打开邮件、获取位置信息、连接Wi-Fi、浏览网页等多种功能。

4. 基于HD-LMC的软体仿生河豚鱼及高速旋转机器人演示：

   • 软体仿生河豚鱼：研究构建了一个以HD-LMC作为电磁致动器的仿生软体河豚鱼。驱动器由通电的HD-LMC在磁场中产生洛伦兹力驱动。该致动器在2A电流下可产生约60 mN的最大力，单位体积最大力达5.0455 × 10^4 N/m³，功率密度达8279.6 W/m³。通过输入方波电流信号，可精确控制河豚鱼尾部摆动（最大摆角22.8°），并实现水中游动。游动速度随驱动电流频率升高而加快。
   • 高速旋转机器人：为进一步展示集成传感与驱动功能，研究构建了一个由六个HD-LMC单元（d=0.68mm）组成的轮形高速旋转机器人。采用三相交流电驱动，通过程序化电流控制可实现精确的旋转运动。实验和理论模拟均证明，机器人的旋转速度与驱动电流频率基本一致，便于精确编程控制。在磁轨道上，该机器人以5Hz频率驱动时，可在0.9秒内移动300毫米，速度超过每秒14个体长。更重要的是，该机器人利用HD-LMC自身的非接触距离传感能力，实现了旋转速度反馈和自身位置感知，展示了在单一实体中传感与驱动功能的高度融合。

三、 主要结果 1. 成功开发并制备了结构密度超越漆包线的三维曲面高密度液态金属线圈。SEM表征证实，对于三种不同直径的线圈，均能稳定实现0.1 mm的最小绝缘层厚度，结构参数k值分别达到7， 12， 17，优于现有文献报道和商用漆包线。 2. 建立了一种基于低熔点金属牺牲芯的通用制造方法。该方法能够精确控制通道直径和绝缘层厚度，适用于多种弹性体基材，并能制造复杂曲面和多层结构的高密度线圈，解决了液态金属软线圈制备的关键技术瓶颈。 3. 全面表征了HD-LMC作为集成单元的优异性能。机械上，它柔软且坚固；电学上，具备从高电感（适合传感）到低电阻（适合大电流驱动）的可调特性；磁学上，能产生足够驱动软体机器人的磁场并实现无线能量传输；热学上，具有可耐受的焦耳热特性。 4. 验证了HD-LMC作为单一单元的多功能集成能力。实验数据表明，同一HD-LMC单元可同时作为：高线性度、宽范围、高分辨率的压力传感器；高灵敏度、高稳定性的温度传感器；基于涡流效应的非接触距离/材料识别传感器；以及功能完整的近场通信天线。 5. 成功构建了基于HD-LMC的高性能软电磁致动器及两种演示机器人。仿生河豚鱼展示了HD-LMC作为驱动器可实现精确、可编程的运动控制。高速旋转机器人则更深刻地展示了集成化的优势：它不仅能够通过编程电流实现高速、精确的旋转运动，更能利用自身线圈的传感特性，实时反馈转速和位置信息，实现了“感知-驱动”闭环。

四、 结论与意义 本研究的核心结论是：通过创新性的制造方法，成功研发出一种结构密度空前的三维曲面高密度液态金属线圈。该线圈作为一个基础且通用的集成单元，首次在单一器件中实现了传感（压力、温度、距离）、通信（NFC）和驱动（电磁致动）等多种功能的深度融合。

其科学价值在于：为解决软体机器人领域长期存在的“传感与驱动分离”难题提供了一种全新的、高度集成的器件方案，极大地推进了液态金属基多维复杂柔性电子学的应用边界。所提出的通用制造方法为未来设计更复杂、功能更丰富的柔性电子器件奠定了理论和工艺基础。

其应用价值极为广阔：这项工作为构建下一代高性能、多功能一体化的软体机器人系统铺平了道路。这种集成单元可望广泛应用于环境监测机器人、医疗介入设备、可穿戴人机交互界面、微型化 inspection 机器人以及需要高度集成和灵活性的各类智能系统中，有望显著降低系统复杂度、缩小体积、提升性能和可靠性。

五、 研究亮点 1. 结构创新性：首次制备出结构密度超越传统漆包线的三维曲面多层液态金属软线圈，突破了液态金属线圈长期局限于二维平面和低密度结构的限制。 2. 方法突破性：开发了一种基于低熔点金属牺牲芯的通用制造工艺，能够精确、可重复地制造具有复杂几何形状和高密度特征的液态金属通道，该方法具有普适性。 3. 功能集成度：在一个单一的、柔软的HD-LMC单元中，前所未有地集成了多种物理场传感（力、热、电磁）、无线信息交互和电磁驱动功能，实现了“一单元多功能”，是面向未来高度集成化软体机器人的关键突破。 4. 演示系统性：从基础性能表征，到多种独立传感器验证，再到集成传感与驱动的复杂机器人系统（仿生河豚、高速旋转机器人）演示，研究逻辑完整，层层递进，充分验证了HD-LMC集成单元的强大潜力和应用前景。

六、 其他有价值内容 研究还通过有限元分析（COMSOL Multiphysics）对HD-LMC的电磁-机械行为进行了理论模拟，结果与实验数据高度吻合，从理论上验证了结构参数k和d对线圈性能（磁场、电感）的影响规律，为优化设计提供了指导。此外，研究中对机器人运动的分析采用了背景差分法等图像处理技术来精确提取位移和速度信息，体现了研究的严谨性。论文提供了详尽的补充材料，涵盖了理论推导、更多实验细节和数据对比，具有很高的参考价值。