近日，西北工業大學空天結構技術重點實驗室張衛紅院士團隊與香港城市大學呂堅院士、香港理工大學王鉆開教授合作，在軟體機器人領域取得了新進展，成功開發出一種基于新型電活性聚合物的多功能機器人，有望滿足復雜結構和極寒環境下的應用需求。該研究成果以“Vinyl Acetate-Enhanced Polyvinyl Chloride Gel with High Electroadhesion and Self-Heating-Tunability for Soft Robots in Freezing Environments”為題在國際知名綜合性期刊《Advanced Science》上在線發表。
 

　　電活性聚合物是一類可在電場作用下產生大幅度形變的智能材料，廣泛應用于人工肌肉、軟體機器人等前沿領域。隨著應用場景的不斷擴展，機器人對系統的多功能集成能力提出了更高的要求。傳統電活性聚合物往往僅具備電致變形功能，難以滿足環境適應性及系統集成需求。因此，開發具備多模式響應行為的智能材料并實現功能集成，是當前軟體機器人研究中一個亟需解決的問題。
 

　　在本研究中，團隊開發了一種具備低電壓驅動、高電吸附力和可控自加熱的新型聚氯乙烯基電活性聚合物。通過在聚氯乙烯凝膠中引入乙酸乙烯酯，有效抑制了因塑化劑遷移引起的發熱與電擊穿問題，同時顯著提升了材料的介電性能與力學性能。與現有材料相比，新型材料的發熱量降低超過50%，使用壽命延長15倍以上，輸出力提升1.75倍，電吸附力提升2.15倍，在2 V/μm的低電場下即可實現30kPa的強吸附力，遠優于傳統靜電吸附結構。此外，研究還提出多種電壓控制策略，可實現材料的按需自加熱或進一步發熱抑制。
 

圖1 材料設計和多功能軟體機器人示意圖
 

　　在此基礎上，研究團隊開發出具備快速爬行、低溫環境自加熱、模塊化組裝與協同作業能力的微型軟體機器人。機器人結構緊湊，響應靈敏，在僅72.5V的低電壓下即可驅動運動，顯著低于現有同類系統。通過集成的電吸附結構，機器人集群可在毫米尺度內實現快速連接與脫粘，在狹小空間內完成自主重構，具備優異的群體協作能力。
 

圖2 集群機器人的運動及自重構。(A-F) 集群機器人的動力學響應和運動；（G-H）復雜空間中機器人的自重構
 

　　在極寒環境測試中，機器人可在-50°C環境下完成自主加熱、以及巡檢和冰層融化等任務。在航空發動機葉片檢測、狹縫探測和寒區作業等應用場景中展現出顯著優勢。相關成果為極端環境下小型智能機器人系統的研發提供了新思路，也展示了該類材料在電子器件、仿生系統和智能制造等領域的廣泛應用前景。
 

圖3 機器人可控發熱和冰凍環境運動。(A-C) 機器人的可控發熱性能；（D-F）機器人在寒冷冰凍中執行不同的任務
 

　　西北工業大學張軍詩教授、劉磊副教授、朱繼宏教授和香港城市大學呂堅院士為共同通訊作者，西北工業大學博士研究生韋暢為論文第一作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的支持。