仿生“毛毛虫”与“蝴蝶”机器人，仅重50毫克！

一、研究背景

软驱动器因具备分布式驱动和高容错性的优势受到广泛关注，但制备兼具小尺寸、简单结构、低能耗与多功能性的仿生软驱动器仍是一大挑战。昆虫级软驱动器相比传统大型机器人，拥有体积小、重量轻、能耗低、成本低的特点，在医疗、通信、农业、军事等领域应用潜力巨大，可用于危险/难抵达区域的生命探测、环境数据采集等场景。

现有电致伸缩驱动器虽具备类肌肉的能量密度、轻量化、高柔性和快速响应等优势，是研发厘米级爬行/飞行机器人的理想选择，但当前昆虫级机器人普遍存在传动结构复杂的问题，严重限制了其微型化、机械鲁棒性提升和能耗降低。同时，传统软机器人依赖多材料协同工作，层间传动易造成能量损耗，亟需能集成驱动与传动、支持多运动模式的多功能材料。

聚偏氟乙烯（PVDF）及其衍生物是电致伸缩驱动的潜力材料，但这类弛豫铁电聚合物存在机械能密度远低于压电陶瓷的缺陷，软材料面内大膨胀的有效输出转化效率低，难以产生足够的应变和力输出。

二、研究亮点

1. 制备的P(VDF-TrFE-CFE)/聚合物点（PDs）梯度纳米复合材料，在100 MV m?1电场下实现14.4%的超高驱动应变和1.92 J cm?3的输出机械能密度，电致伸缩系数Q??达44.3 m? C?2，是纯三元共聚物的4倍以上，机械能密度媲美压电陶瓷。

2. 通过界面氢键作用和温度调控，实现复合材料内全反式构象的梯度分布，使单层薄膜具备类单压电晶片的弯曲驱动特性，摒弃了传统多层层合结构，消除了界面能量损耗，简化了驱动器结构。

3. 基于该复合材料制备出仅约50 mg的昆虫级仿生驱动器，无需额外辅助机构，即可模拟毛虫爬行和蝴蝶飞行两种运动模式，毛虫爬行速度达4.5 cm s?1（功耗仅3.62 mW），蝴蝶翅膀拍动频率8 Hz、升空高度2-4 mm（功耗7.98 mW），能耗较同类器件降低一个数量级，且中心驱动区域可承载自身20倍的重量。

三、研究内容

1. 复合材料的制备与作用机制

图1：梯度分布设计与氢键增强的全反式构象

    - a：展示terpolymer/PDs-G的制备流程，包括PDs与共聚物混合、滴涂、梯度升温成膜、喷涂电极的全过程；

    - b：阐明PDs与共聚物的氢键作用机制，PDs表面官能团与F原子形成氢键，诱导全反式构象生成；

    - c：复合膜横截面的全反式构象梯度分布示意图，下层构象更有序；

    - d：42 MV m?1电场下，terpolymer/PDs-G发生显著折叠，而纯共聚物膜仅轻微变形，直观体现性能差异；

    - e：不同PDs含量在50/100 MV m?1下的驱动应变，证实0.5 wt%为最优比例；

    - f-g：PDs的FT-IR光谱（证实酰胺键存在）和不同PDs含量共聚物的FT-IR光谱（证实氢键形成与全反式构象增加）。

    以柠檬酸和乙二胺为原料，通过水热交联法制备富含氢键位点的PDs，将其与P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物溶液混合后，经60℃恒温4 h+60-120℃梯度升温8 h的溶剂蒸发工艺，制备出terpolymer/PDs-G梯度复合膜。PDs表面酰胺键的N-H与共聚物中的F原子形成氢键，诱导共聚物形成全反式构象；梯度升温造成膜上下表面溶剂蒸发速率差异，使全反式构象在膜下层高度富集，形成梯度分布，而PDs在基质中呈均匀分散状态。

2. 复合材料的结构表征

图2：全反式构象均匀分布的共聚物/PDs复合膜结构分析

    - a：XRD图谱显示复合膜的(110/200)衍射峰向高角度偏移，表明分子链间距减小；

    - b：FT-IR光谱进一步验证PDs引入后全反式构象比例提升；

    - c-d：AFM-IR化学成像显示，复合膜存在清晰的极性网络，而纯共聚物无明显极性网络；

    - e-f：标记位置的局部红外光谱，证实PDs诱导共聚物生成全反式构象。

    红外光谱（FT-IR）证实氢键形成使N-H弯曲吸收峰偏移，并出现特征氢键吸收峰，且PDs含量为0.5 wt%时氢键作用最优；X射线衍射（XRD）表明PDs的引入减小了共聚物的分子链间距；原子力显微镜-红外联用（AFM-IR）和高分辨透射电镜（HRTEM）直观显示terpolymer/PDs-G膜的下层全反式构象和极性网络更丰富，形成连续的极性相互连网络；差示扫描量热法（DSC）表明PDs通过氢键改变了聚合物的微观结构，使熔融温度和熔融焓随PDs含量增加逐渐降低。

3. 复合材料的电致伸缩性能研究

图3：全反式构象梯度分布复合膜的结构分析与电致伸缩性能

    - a：FT-IR光谱显示terpolymer/PDs-G膜下层的全反式构象特征峰强度远高于上层，纯共聚物膜上下层差异微弱；

    - b：掠入射XRD表明复合膜和纯共聚物膜的下层衍射峰均向高角度偏移，下层分子链间距更小；

    - c-d：AFM-IR成像显示梯度复合膜存在连续的极性相网络，纯共聚物膜为均相分布；

    - e-f：膜横截面从下到上的局部红外光谱，证实复合膜全反式构象从下到上逐渐降低，且变化过程平缓；

    - g-j：HRTEM及快速傅里叶变换结果，直观显示复合膜下层的全反式构象比上层更丰富；

    - k：不同电场下terpolymer/PDs-G与纯共聚物的驱动应变对比，体现梯度复合膜的性能优势；

    - l：该材料与PZT、PZN-PT、其他PVDF基材料的最大驱动应变对比，证实本研究材料性能处于国际领先水平。

    系统测试了不同PDs含量、电场强度、频率下的驱动应变，发现0.5 wt%是最优PDs掺杂比例，该比例下复合材料在1 Hz、100 MV m?1下应变达14.4%，较纯三元共聚物（3.2%）提升330-350%；复合材料的极化强度在100 MV m?1下达0.070 C m?2，高于纯共聚物的0.059 C m?2，且弛豫铁电特性使材料在10 Hz下仍保持优异性能，介电击穿强度提升至249 MV m?1，漏电流密度更低，电荷陷阱效应增强。此外，膜上下表面的弹性模量差异并非驱动变形的主因，全反式构象的梯度分布是实现单向弯曲的核心因素。

4. 仿生驱动器的制备与性能测试

图4：毛虫-蝴蝶仿生系统的驱动机制与性能

    - a：毛虫和蝴蝶驱动器的结构设计、电极分布及电场下的驱动机制示意图，阐明单层膜的单向弯曲驱动原理；

    - b：毛虫驱动器的高速摄影爬行过程，记录其在阶梯路径上的蠕动状态；

    - c：蝴蝶驱动器的高速摄影升空过程，展示翅膀拍动与离地升空的过程；

    - d：本研究驱动器与其他文献报道的电软驱动器的输入功耗对比，证实本研究器件的超低功耗优势。

    将terpolymer/PDs-G膜裁剪为毛虫和蝴蝶的仿生形状，通过喷涂碳纳米管制备椭圆形电极，构建无额外辅助机构的单层驱动器。毛虫驱动器采用阶梯状爬行路径，在42 MV m?1、2 Hz电场下实现稳定蠕动，单次循环能耗仅9.04×10?? J；蝴蝶驱动器采用流线型头尾设计，电极驱动区域实现翅膀可逆拍动，电场强度达50 MV m?1时翅膀转角约90°，单次循环能耗4.99×10?? J。对比测试表明，该复合材料驱动器实现相同驱动应变所需电场仅30 MV m?1，远低于纯共聚物的100 MV m?1，功耗降低一个数量级。

四、总结与展望

本研究通过将富含氢键位点的PDs引入P(VDF-TrFE-CFE)弛豫铁电三元共聚物，结合温度调控实现全反式构象的梯度分布，制备出高性能全有机电致伸缩纳米复合材料。该材料借助氢键作用增强极化响应、梯度构象实现类单压电晶片弯曲驱动，突破了传统弛豫铁电聚合物机械能密度低、驱动应变小的缺陷，在100 MV m?1下实现14.4%的驱动应变和1.92 J cm?3的机械能密度，电致伸缩系数和机电耦合因子均大幅提升。

基于该复合材料制备的昆虫级单层仿生驱动器，重量仅约50 mg，无需额外传动机构即可实现毛虫爬行和蝴蝶飞行两种运动模式，具备超高的运动速度和极低的能耗，爬行功耗3.62 mW、飞行功耗7.98 mW，较同类器件降低一个数量级，且驱动区域可承载自身20倍重量，解决了传统昆虫级机器人结构复杂、能耗高、微型化受限的问题。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70165-0

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