摘要：软体爬行机器人凭借低重心、优异的通过性等优势，在地形探索、管道检测等操作空间受限的场景中展现出巨大的应用潜力。为了提升其对多变环境的自主适应能力与运动效率，开发能够利用可控形变灵活调整姿态，并产生与环境相匹配运动模式的软体爬行机器人具有重要意义。爬行-滚动运动

软体爬行机器人凭借低重心、优异的通过性等优势，在地形探索、管道检测等操作空间受限的场景中展现出巨大的应用潜力。为了提升其对多变环境的自主适应能力与运动效率，开发能够利用可控形变灵活调整姿态，并产生与环境相匹配运动模式的软体爬行机器人具有重要意义。爬行-滚动运动模式切换是软体爬行机器人适应地形变化（从平坦表面到坡面等）的有效策略，其运动机制主要体现在两方面：（1 ）在平直或拱形姿态下，机器人通过可控形变调节局部曲率，由此调控重心位置以及与地面的接触角，利用各向异性摩擦实现定向爬行。（2 ）机器人通过响应性姿态切换形成卷曲构型，借助重心偏移作用实现滚动运动。值得注意的是，由于卷曲姿态具有不稳定性，软体机器人在滚动后可能处于倒置状态，从而导致运动终止。因此，软体爬行机器人自主矫正姿态的能力是其在不同地形下实现连续运动的关键保障。由于需要多种姿态的设计与协同，开发一种集双向爬行、爬行-滚动模式切换和自我矫正能力于一体的软体爬行机器人仍是一项重大挑战。

日前，复旦大学的俞燕蕾教授与秦朗副教授团队，受珍珠母毛虫的启发，开发了一种具有自适应与精准运动控制能力的分段式爬行机器人（CRAWL—Crawling Robot with Adaptive Well-controlled Locomotion）。该机器人采用柔性液晶弹性体（LCE）与刚性丙烯酸树脂交替组装的设计，并通过先进的多材料4D打印技术实现。在打印过程中，借助喷嘴外轮廓剪切方法，诱导LCE节段内的液晶基元沿厚度方向形成梯度取向，从而产生超大曲率弯曲以实现形状自适应。此外，利用具有时空可控性的近红外光照射，可通过局部光热效应选择性诱导目标LCE节段的形变，从而按需调控CRAWL的曲率。基于上述设计，CRAWL能够动态调整多种姿态以展现自适应运动能力，具体表现为：利用曲率可调的拱形构型实现双向运动控制，借助整体卷曲在爬行和滚动模式之间动态切换步态，以及通过局部节段调控完成自主姿态矫正。这些功能使CRAWL能够在不同地形条件下高效执行连续运动，凸显了其在需要动态机械智能的非结构化环境中的操作潜力。相关工作以“Adaptive Locomotion of Pleurotya Caterpillar-Inspired Segmental Crawling Robots with Multiple Postures”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

珍珠母毛虫的结构与运动行为

自然界中的珍珠母毛虫（Pleurotya caterpillar）展现出卓越的多姿态调控能力，包括弯曲曲率可调的拱形姿态以及局部或整体卷曲的卷曲姿态。基于这种能力，珍珠母毛虫能够实现多种自适应运动模式，例如在平坦表面上的双向爬行、在斜坡上卷曲成环后滚动下坡，以及通过自我矫正恢复姿态平衡（图1 ）。珍珠母毛虫的这种动态曲率可控性源于其分段肌肉与外骨骼之间的协同作用。具体而言，肌肉通过驱动和控制毛虫的形变，使每个节段能够灵活实现大曲率弯曲，而外骨骼则为其提供必要的结构支撑和保护。研究人员受珍珠母毛虫结构与运动性能的启发，认识到实现软体爬行机器人灵活曲率控制的关键在于刚柔耦合分节结构的设计以及各节段大曲率弯曲形变的协同，这需要将先进的多材料加工技术与能够实现大曲率弯曲的智能材料相结合。相关研究为开发仿生软体机器人提供了重要的理论依据和技术指导。

来源：高分子科学前沿一点号1