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  傳統(tǒng)的活性材料驅動器往往存在運動難以控制，以及運動軌跡難以預測等問題。近日，研究人員設計出一種由紅外光驅動的軟體機器人，可以沿著既定軌道在空中運輸物體，類似于空中纜車。這種軟體機器人能夠在最大80度的坡度上攀爬，并能承載高達自身重量12倍的負載。此外，設計者為了測試該結構對于不同軌道的容錯性，對不同材質、尺寸，甚至存在尺寸突變的軌道進行了測試。

  近日，研究人員設計出一種由類似絲帶狀，可沿軌道爬行的軟體機器人（圖1），其材料為液晶彈性體，經(jīng)過扭轉（類似意大利螺旋面條的形狀），然后將末端連接，形成一個類似手環(huán)的閉環(huán)。具體來說，這個螺旋環(huán)狀結構繞著軌道纏繞了兩到三圈，使得環(huán)以與軌道平行的角度懸掛。由于該材料出色的熱驅動效應，當暴露在與軌道垂直的紅外光下時，吸收光線最多的絲帶部分會收縮，產生滾動運動：被照射的部分收縮，將溫度較低的部分拉入光照區(qū)域，這部分隨后加熱，而先前加熱的部分開始冷卻，如此循環(huán)往復。隨著軟體環(huán)的自我扭轉滾動，它便沿著軌道移動。

圖1：(A) 螺旋環(huán)狀軟體機器人的結構及其工作原理。(B) 該結構在工作過程中的紅外攝像溫度圖。

  由于該工作受到空軌和纜車等常見的交通工具啟發(fā)，測試者將其懸掛與地面呈不同角度的鋼絲軌道上，以測試其攀附爬行的穩(wěn)定性。由于并非直接懸掛，而是得益于螺旋環(huán)裝本身的螺旋結構，該設計可以通過調節(jié)懸掛于軌道上的圈數(shù)來改變摩擦力，使其攀附得更加牢固，最高可爬行坡度可達接近垂直的80余度（圖2）。

圖2：該軟機器人沿不同角度的軌道攀緣，最陡可達與地面夾角為80°。

  研究人員展示了軟體環(huán)形機器人可以在細如人類頭發(fā)或粗如吸管的軌道上運行。軟體機器人還能克服軌道上的障礙，比如打結或隆起（圖3A）。研究人員還演示了機器人可以承受自身重量12倍左右的負載（圖3B）。

圖3：該軟體機器人適用于不同場景完成作業(yè)。(A) 軌道上存在打結以模擬突變/污損； (B)對該環(huán)狀結構施加自身重量十倍以上的負載； (C) 軌道存在尖角；(D) 軌道為更加復雜的螺旋結構；(E)軌道本身為柔性體，且處于完全松弛狀態(tài)。

  此外，傳統(tǒng)纜車的纜繩具有一定的條件限制，該設計在克服這些限制上做出了一些突破（圖3C-E），例如對于剛性纜繩，若纜繩存在非光滑的突變，例如需要轉過銳利的角度，該材料自身柔性的特征就能使其產生一個局部跳變，使其能夠自由靈魂地通過該角度。另外，對于更加復雜的三維結構，例如螺旋狀結構，該機器人仍舊可以靈活通過，理論上講，該驅動器在驅動光存在的溫度場內可以經(jīng)由架設的軌道到達任意位置，這也是軌道鋪設的優(yōu)勢所在。

  該工作標題名為《Aerial Track-Guided Autonomous Soft Ring Robot》并發(fā)表在Advanced Science上。第一作者為北卡羅萊納州立大學機械與航空航天工程系博士生漆方杰，通訊作者為該系尹杰教授，共同作者還有該系博士生周才植，清海濤，以及孫昊澤。

  文章信息：

  F. Qi, C. Zhou, H. Qing, H. Sun, J. Yin, Aerial Track-Guided Autonomous Soft Ring Robot. Adv. Sci. 2025, 2503288.

  https://doi.org/10.1002/advs.202503288