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  近日，西湖大學工學院姜漢卿團隊提出了一種類肌肉收縮的新型電磁彈性體驅動機制，將傳統高輸出的電磁驅動高效擴展至軟體機器人與昆蟲尺度微型機器人領域。該機制不僅具備優異輸出力和大形變能力，還可在低電壓條件下穩定工作，實現了在戶外環境中的完全自主驅動。為未來小型化、無線化、高性能的智能昆蟲機器人系統提供了全新解決方案。

  相關研究成果以“Muscle-Inspired Elasto-Electromagnetic Mechanism in Autonomous Insect Robots” 為題發表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

  在自然界中，動物通過肌肉的收縮與放松產生強大動力，實現靈活高效的運動，尤其在昆蟲等小尺度生物中，肌肉所具備的高力質量比對于克服環境阻力至關重要。相比之下，目前多數自主機器人仍依賴剛性電機及其配套的齒輪、軸承等復雜結構，難以柔性集成到軟體系統中，且在尺寸微型化方面存在顯著障礙。盡管近年來“人工肌肉”等智能材料驅動技術備受關注，但它們通常需要苛刻的驅動條件（如高電壓、強磁場或強光照），且輸出性能有限，難以支撐小型系統的高效自主運行。因此，現有的微型軟體機器人仍多依賴外部刺激，尚難實現真正的無線化、戶外化和自主化運動。

圖1：動物與自主機器人的輸出力質量比與收縮變形能力

  為滿足微型軟體機器人對高輸出、大形變、快速響應和低能耗驅動的需求，西湖大學姜漢卿團隊提出了一種新型“電磁彈性體驅動機制”（Elasto-Electromagnetic mechanism, EEM）。不同于傳統人工肌肉主要依賴軟材料本征特性對強外場響應、導致驅動條件苛刻，EEM 通過彈性體的結構化設計，結合硬磁與軟磁間的強磁吸力，模擬生物肌肉的收縮，實現高效驅動。

圖2：動物與自主機器人的輸出力質量比與收縮變形能力

  該機制由三部分構成：硬磁體、嵌有軟磁球的電流線圈，以及可變形的彈性體結構（如圖2）。其核心在于兩點：一是利用硬磁與軟磁間的靜態磁吸力驅動彈性體收縮，電流輸入可同時引入洛倫茲力并增強軟磁響應，從而動態調節吸力、提高輸出力和變形幅度；二是通過彈性體結構中力-位移曲線的設計，實現多樣化、可調控的力學響應與驅動行為。

圖3：動物與自主機器人的輸出力質量比與收縮變形能力

  其工作原理如“拉鋸式”力平衡調控：在無電流狀態下，磁吸力與彈力平衡于自然松弛位置；通電后，增強的磁吸力推動驅動器收縮至新穩定態；調節電流大小，即可精確控制系統收縮程度。該機制具備雙向調控能力，不僅實現高達 210N/kg 的單位輸出力、60% 的大形變量及低至 <4V 的驅動電壓，還可通過結構設計實現“免持續供電”的雙穩態甚至三穩態鎖定，大幅提升能效。整體結構緊湊、易于微型化，展現出接近生物肌肉的高效驅動特性，為構建真正無線、自主、環境適應性強的昆蟲尺度機器人提供了新路徑。

  基于這一新型電磁彈性體驅動機制，研究團隊進一步構建出一系列具備完全自主驅動、高輸出力和大形變能力的昆蟲級軟體機器人原型。在多種機器人中，蠕動式爬行機器人展現出卓越的抗沖擊性能與環境適應能力。憑借EEM驅動系統帶來的結構柔順性與微型化體積，該機器人即使從約30米高空墜落，仍可在著陸后繼續自主匍匐，無任何功能損傷。這種極端生存能力為其在復雜、不可預測的野外環境中部署奠定了基礎。未來，這類柔性機器人有望由無人機集群高空投放，深入災難現場的廢墟縫隙，執行搜救偵察與信號標記等關鍵任務。

圖4：動物與自主機器人的輸出力質量比與收縮變形能力

  此外，團隊還開發出一款仿水螅結構的軟體游泳機器人，能夠在完全自主供能條件下，于自然水體中持續穩定游動超過一小時，展現出優異的續航性能與環境適應性，為水下環境監測與污染探測等任務提供了微型化平臺的可能。

  值得一提的還有跳躍機器人，其體型僅指尖大小，卻具備完全自主驅動能力，是目前已知最小可實現連續彈跳的軟體跳躍機器人。該系統通過極簡結構實現高效能量釋放與強彈跳表現，后續優化有望進一步提升跳躍高度與穩定性，為其在復雜地形下的實地應用打開新空間。

圖5：動物與自主機器人的輸出力質量比與收縮變形能力

  在此基礎上，研究人員進一步展示了基于EEM驅動機制的昆蟲級機器人在搭載多種傳感器后執行環境感知任務的潛力。例如，團隊在蠕動式爬行機器人上集成了微型溫濕度傳感器，使其能在自主行進過程中實時探測并無線傳輸不同環境艙室中的溫濕數據；在仿水螅游泳機器人上則集成了酒精氣體傳感器，成功實現了對密閉水體中化學信號的探測與上報。這些演示驗證了EEM平臺不僅具備強力驅動能力，也能夠靈活搭載多種物理與化學傳感器，具備面向復雜、狹小環境中數據采集與任務執行的廣泛拓展性。

  該研究以磁勢能與彈性勢能的平衡為基礎，提出了一種將傳統電磁驅動拓展至軟體機器人的全新機制。該機制由軟硬磁體之間的強磁吸引主導形變，突破了以洛倫茲力為核心的傳統驅動方式，顯著提升了微型軟體機器人的輸出力與形變能力。通過對彈性體結構的合理設計，該系統還能實現低功耗、高能效的穩態驅動。結合其在自主運動、環境適應、能耗調控與任務集成等方面的優勢，該平臺為災后搜救、環境監測及生物信號探測等應用場景提供了強有力的技術支撐與發展潛力。

  此項研究工作的第一作者為西湖大學博士后許昌瑀和博士后曹亞軍。西湖大學工學院講席教授姜漢卿為通訊作者。該工作受到了國家自然科學基金以及西湖大學相關經費的支持。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62182-2