《AM》综述：用于生物启发软机器人的材料、致动器和传感器

来源：高分子科学前沿

水凝胶

液晶聚合物：液晶聚合物是包含介晶的聚合物网络，这些成分使材料表现出称为中间相或“液晶态”的中间态。这种状态的特征是介于固态和液态之间的中间地带，在这种状态下，物质的各个组成部分可以像固态（晶体）一样构造，但是该物质可能像液体一样流动。液晶聚合能够进行形状固定和形状恢复响应。此外，可以将它们设计为由多种刺激来致动。

离子聚合物-金属复合材料

【生物启发式软致动器】

致动器是机器人系统的主要部件之一，广泛的刺激响应和多样化的功能使生物驱动系统成为开发人工驱动器的诱人灵感来源。关于引入到软仿生技术众多的智能材料，已经报道了各种各样的刺激响应致动器。这些刺激是水，pH，热，光，磁，电以及上述那些的组合。

水响应软致动器

pH响应：尽管具有湿度和湿度梯度响应致动器，但它们在流体环境（例如“芯片实验室”和微流体应用）中并不实用。相反，pH响应型致动器适用于此类环境。这些致动器采用响应于pH的变化而变形（如溶胀）的材料。这种变形通常是由于材料官能团的pH依赖性电离以及相似电荷之间的静电排斥引起的。研究人员发现这种自响应特性适合于开发具有生物启发性的软致动器。具有不同结构和化学结构的合成聚合物的进步使研究人员能够制造适用于各种应用的pH响应致动器。这些活性聚合物分为两类：具有碱性和酸性基团的聚合物

pH响应软致动器

热响应：尽管已经开发了许多具有出色功能的水和pH驱动致动器，但它们在干燥或对水敏感的环境中的一系列应用中并不实用。这促使研究人员投资开发干式致动器。在这些干式致动器中，热响应性致动器的优点是能够启用各种致动机构，因为它们可响应多种生热方法，例如放热反应，光热加热，焦耳热和磁热效应。此外，这些致动器以其呈现大体积和形状变化的能力而闻名。尽管它们适用于干燥环境，但也已设计了许多热响应致动器以在潮湿环境中工作。

热响应软致动器

光响应：光被认为是生物启发式软致动器最有希望的刺激之一，因为它们可以实现1）非接触式致动，2）通过波长和强度控制进行选择性和精确的致动，以及3）高分辨率时空控制。各种材料和技术已导致光响应致动器响应从紫外线到近红外（NIR）的不同波长，直接触发（光化学）或间接触发（光热）。

光响应软致动器

磁响应：磁刺激与其他用于生物启发式软致动的刺激相比具有独特的优势。这些优点包括：1）可以穿透各种材料的非接触式远程控制；2）通过控制磁场的方向和强度进行精确操纵；3）通过独立改变磁场和梯度实现增强的可控性；4）产生磁场交流电的能力，以用于磁热疗等应用; 5）致动器的可扩展性和可控性，其范围从纳米级到宏观级。它们的缺点是它们需要复杂且庞大的外部设备来精确地控制磁场及其梯度。

磁响应软致动器

电响应：电动致动器具有操作简单和出色的可控性的优势。这类软致动器可以直接将电能转换为机械能，也可以通过焦耳加热来驱动热响应材料。电动马达已在常规机器人中广泛使用，提供精确的控制，鲁棒性和出色的可重复性。这种电动机由刚性部件，并因此没有在仿生机器人软使用，但电力驱动部件高度标准化和优选的。

电响应软致动器

多种刺激协同响应：在通过个体刺激进行努力和取得成就的同时，研究人员还尝试将不同致动器的优点整合为一个，以实现多功能性和多功能性。这些方法已为开发多响应生物启发式软致动器付出了巨大的努力。一种方法是使用单个多响应材料层，另一种方法是制造由单刺激材料层组成的复合结构。

多刺激响应软致动器

【生物启发式软传感器】

没有感测就没有反馈控制，由于软结构的高度变形，刚性体上使用的预先存在的传感器不容易转移到软体上。传感器将限制结构的变形，或者结构的变形将损害或损坏传感器。可以通过反思自然界中发现的机制来寻求解决这些问题的方法。植物，昆虫，动物和人类由多种类型的受体组成，这些受体可以激发软机器人系统传感器的设计和开发。

生物启发软传感器

感光器：从人眼到节肢动物复眼的各种事物启发了感光器。节肢动物复眼由成百上千个紧密包装的光学元件组成，形成半球形小平面。多年来，许多人从其建筑构造中汲取了灵感，并开发了人工复眼结构。人眼的聚焦机制和光学结构推动了各种人工可调（液体封装）透镜的设计和开发。

人眼启发感光体

化学传感器：化学传感器包括检测气体和液体的传感器。随着技术的进步，开发的传感器能准确并选择性地进行量化湿度，挥发性有机化合物（即，乙醇，丙酮，甲醇，甲醛）和不凝结的气体（即，氢气，一氧化碳，二氧化碳）。用于检测液体的化学传感器已得到广泛应用。如从可以感知最轻微环境变化的人类皮肤中汲取灵感，基于矿物水凝胶的俘获传感器用于测量水滴的质量和角度。

化学传感器

机械传感器：软应变和压力传感器尤为重要，因为它们可用于监测人类的生理状况。将应变和/或压力传感器粘附到人体的不同位置，可以测量人体，四肢以外的生命指标，例如脉搏，呼吸，说话，咀嚼和吞咽。以及关节动作。在鱼类和两栖动物中发现的流量传感器。已用于检测细微的振动和流场。

机械传感器

【结束语和未来方向】

本综述首先对本领域使用的材料进行了介绍，每种材料都有其独特的优点和缺点。然而，由于材料的降解，许多软材料的寿命短。此外，受生物启发的柔软材料通常由对环境变化敏感的化合物制成。尽管这可能是一个有益的特性，导致产生诸如软传感器之类的产品，但它也可能影响它们可用于的应用。水凝胶是一个特别的例子，因为它们需要水性环境，因此不能用于干燥应用。

受生物启发的软致动器除了其建模和制造方法外，还付出了巨大的努力来改善其机械性能和致动性能。尽管受到生物启发的软致动器取得了飞速发展，但仍需要改进，然后才能将其集成到实际应用中。低输出工作密度，延迟响应和短寿命是需要进一步研究的其他限制。

虽然处于婴儿期，但在生物启发式软传感器领域已经取得了很大进展。像现有的常规传感器一样，软传感器的精度也取决于范围。尽管它们可能具有较宽的感测范围，但传感器的线性度受到限制。

软机器人可能会在各种应用中变得举足轻重，尤其是在人机交互领域，例如外科手术机器人和康复外骨骼。未来结合了具有软驱动组件和软传感皮肤的刚性框架的受生物启发的混合动力机器人可能是一个潜在的发展方向。随着软材料，致动和传感领域的发展，用于构建软机器人的工具箱变得越来越全面。但是，要使其与常规机器人系统保持一致，软机器人的设计和制造将需要标准化。此外，开发用于软体机器人的严格模型和控制器至关重要。