德国斯图加特大学研发出可移动30倍自重物体的仿生微卷执行器

维度网讯，斯图加特大学材料科学研究所（Institute for Materials Science at the University of Stuttgart）Zaklina Burghard博士团队开发出一种制造平台，可在数秒内将超薄功能薄膜转化为可编程的三维陶瓷微卷，用作未来微型机器人和软体机器人的紧凑驱动元件。该成果源自Burghard长期从事的仿生陶瓷材料系统研究。

微型机器人体积极小，在医学和工业领域具有应用潜力；软体机器人则依赖柔性、可适应材料以提升适应性和安全性。与宏观机器人一样，这两类系统中的执行器需控制运动或夹持，但微型系统整体尺寸小得多，软体机器人又须具备弹性变形能力，因此对组件提出了全新要求，往往只能借助新材料实现。

研究团队从蝴蝶喙的卷曲与伸展运动获得启发，制备了含有磁性氧化铁纳米颗粒的超薄五氧化二钒薄膜。制造时，研究人员用刀片将超薄陶瓷薄膜从基底上轻轻剥离，刀片持续弯曲剥离出的薄膜，使其在几秒内卷成紧密缠绕的微卷。将磁铁靠近微卷，它会迅速展开；移除磁场后则重新卷起。

与传统陶瓷不同，这些超薄薄膜具有柔性。其独特机械行为源于受生物启发的分级纳米和微米结构，在实现弹性形变的同时保持了陶瓷材料的结构完整性。研究人员制成的微卷宽度仅几微米，卷曲时直径只有几百微米，展开后长度可达25毫米。实验中，微卷经5000次循环后仍能正常工作，并可移动超过自身重量30倍的物体。

Burghard介绍，微卷还能排列成可编程阵列，使多个执行器同时运行，执行提起、运输或操控微小物体等协调任务。选择五氧化二钒作为模型材料，是因为它多年来是Burghard研究的核心，为制造平台提供了基础。

Burghard表示，执行器仅是开始，真正的创新在于卷曲平台本身，该平台可转移到许多不同的有机和无机薄膜材料上，有望用于未来的电子元件、传感器、储能设备及其他多功能微系统。

这项工作始于由Burghard领导的德国研究联合会（DFG）资助项目。Semi Kim于2023年完成的硕士论文开展了首次实验研究，为当前研究奠定基础。研究在材料科学研究所仿生材料系进行，该系将自然作为灵感来源，与现代材料科学相结合，整合物理学、化学、计算建模和仿生材料设计原则，开发下一代功能材料和可编程微系统。