最近，华侨大学的研究团队研发出了一种磁化折叠膜片，这种折叠膜片由具有径向磁化特性的节段结构组成，通过控制磁场来操控折叠膜片的变形，甚至可以利用这种膜片的大变形来制作成驱动器！
 

研究人员根据这种膜片设计了仿蚯蚓和仿鱿鱼机器人，可以分别在管道里和水里实现运动。该研究以论文的形式发表在Nature Communications上：《Bio-inspired magnetic-driven folded diaphragm for biomimetic robot》。https://doi.org/10.1038/s41467-023-35905-6

▍可输出大变形的磁驱折叠膜片

折叠膜片之所以能在40mT强度下磁场下可以实现大变形还是得益于它的低刚度设计和独特磁化径向磁化特性，这些特性使得这款膜片的每个折叠段的磁化方向不同，可以产生三维大变形。

折叠膜片的结构和磁化方向示意图
 

而且这种折叠膜片制作方法还很简单！只需要将材料其放置在模具中，再放入磁场中磁化即可获得。

折叠膜片制作过程
 

折叠膜片磁化过程
 

▍可满足泵+双域运动机器人的需求

为了凸显折叠膜片的优势，研究人员据此设计出了快速响应，且重量轻的单膜微型泵和双膜微型泵，用于抽吸/推动液压介质。通过实验展示了双膜微型泵膜片在匀强磁场下的具备较高密度的驱动能力，在-40 mT磁场下具有较大的比压( ~167.3 ±6.7 kPa kg-1 )，在-15~15 mT磁场下具有较大的比流量( ~ 61394±748 mL min-1 kg-1 )。通过对微型泵进行实验研究，可以直观地展示折叠膜片的驱动性能，不仅重量轻，而且输出性能强。

单膜泵和双膜泵驱动演示
 

此外，看到这两个泵能想到什么？如果能用来做驱动器就好了，在磁场激励下，如果它用在“岸上”，那么就是活生生的一个直线自由度驱动器，而用在水中时可以充当一个射流驱动器。有了这个思路，研究人员开展了以下研究。

单折叠膜片泵和双折叠膜片泵的性能
 

▍磁驱动折叠膜片的仿蚯蚓机器人

环节动物（如蚯蚓）的运动是通过身体节段之间的收缩和拉伸实现的。受蚯蚓运动模式的启发，受蚯蚓启发，基于所提出的磁性折叠膜片设计了爬行机器人，其结构如下图所示。

研究人员利用注塑的方法将折叠膜片制造成仿蚯蚓机器人身体的驱动节段。但为了精准仿生蚯蚓的运动，身体各个节段需要运动时序配合，那么怎么实现呢？答案就是不同的节段上磁化方向是不同的。其中，磁化的导向板充当机器人的爬行足，利用设计的驱动折叠膜片和导向片的配合可以让这款机器人实现爬行功能。

蚯蚓启发的爬行机器人结构及其运动示意图

具体的性能可以来感受一下，除了可以水平在管道内爬行之外，机器人可以在25°的管道里实现爬坡运动：

机器人水平爬行运动
 

25度爬坡运动

可以在三角管道运动

在三角管道转弯换向运动

仿蚯蚓的爬行机器人可以在单一均匀磁场下实现攀爬、转弯和越过三角形斜坡的运动，速度在30 mm/s，同时研究人员指出还可以通过串联磁驱机构来提高运动速度。

此外，爬行机器人的移动速度可以通过调整磁场的强度和频率来进行控制，除了像蚯蚓运动之外，这种运动和尺蠖也十分类似。

通过控制磁场的特性来改变机器人运动特性
 

▍不仅在陆地，还能在海域——仿鱿鱼游泳机器人

作为微流量系统的动力源，微泵在微流体研究领域占有重要的地位。研究团队根据膜片设计了一个微型有阀泵，以射流带实现机器人游泳的功能。射流推进通过主动压缩腔体产生反向推力，具有很高的机动性，是水下生物最简单、直接的推进方式。

射流驱动方式
 

通过观察海中的鱿鱼的运动：触须展开和折叠过程中，鱿鱼可以实现向上或者向下的浮游运动，其中包含了吸水和射流的过程。类似的，在机器人运动过程中，控制磁场来控制微型泵以完成吸水和射流的动作，机器人据此实现运动，整体而言，机器人运动包含了吸水、排水、滑行的重复过程。

仿鱿鱼游泳机器人

在实验中，这款游泳机器人可以在2 Hz频率的磁场下以24 mm/速度实现浮潜、垂直下潜和水平潜水的游泳运动。

机器人上升游动

机器人下沉游动

机器人水平游动

▍结语

对于仿蚯蚓内管道机器人而言，如何拓展机器人的运动范围以让机器人可以适用于多种不同直径的管道是这类机器人发展的重要因素。而对于水下机器人而言，当前以头足类生物为仿生对象研制的机器人普遍存在结构复杂、转向能力不足、柔软的躯体很难在复杂和不稳定的水流中维持稳定、对内部设备缺乏保护能力等多种问题。具体而言，如果能够利用和控制不对等的射流，从而让水下机器人实现精准转向，可以有效拓展机器人的灵活性。