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在自然界中，袋鼠、青蛙和跳蚤等生物通常借助瞬間跳躍來捕捉食物或躲避危險。它們主要通過調(diào)節(jié)自身形狀以達到所需的跳躍高度或距離，這為研究人員設(shè)計跳躍機器人提供了靈感。與傳統(tǒng)的剛性機器人相比，軟機器人由于其靈活性、重量輕、可編程、多功能性和適應(yīng)性等特點，被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中。柔性致動器作為軟機器人的主要構(gòu)造部分，可在外部環(huán)境刺激下如光、電場、蒸汽等，產(chǎn)生可逆機械變形，在跳躍運動領(lǐng)域具有巨大的潛力。迄今已經(jīng)開發(fā)了許多具有優(yōu)異跳躍能力的致動器。早期的綜述主要集中在由具有機械部件的輕質(zhì)剛性材料制成的跳躍機器人上，重點關(guān)注跳躍方向控制和穩(wěn)定性。然而，很少有工作總結(jié)關(guān)于最近柔性致動器的研究進展。

該綜述文章系統(tǒng)總結(jié)了近年來柔性致動器在跳躍運動領(lǐng)域的研究進展。首先作者討論了柔性致動器的跳躍機制，重點介紹了兩種跳躍驅(qū)動機制（大致動力或大變形速度，能量儲存-瞬時釋放），并對不同柔性材料（形狀記憶聚合物、介電彈性體、液晶彈性體、水凝膠及其他高分子聚合復(fù)合物）和不同刺激（光、濕氣、電場、磁場、液壓及氣動驅(qū)動等）響應(yīng)跳躍柔性致動器進行了詳細分類總結(jié)。最后，作者對當前實現(xiàn)柔性致動器的跳躍運動面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展前景作了闡述。

圖1. 重點舉例說明跳躍致動器的兩種跳躍驅(qū)動機制： (A) 基于較大的驅(qū)動力：機器人將其腿部的一部分充氣，使身體向預(yù)期的跳躍方向傾斜。燃燒后，底部的半球體膨脹出來，緊貼地面，將機器人推向空中。（B）能量積累和瞬時釋放：滾動執(zhí)行器的跳躍機構(gòu)。在外部刺激下，能量積聚在薄膜的部分重疊部分（A和C部分之間），然后突然釋放，使致動器薄膜跳躍。

圖2. 代表性水凝膠材料跳躍致動器的設(shè)計： (A, B)當光照射在水凝膠球體上時，其內(nèi)部由于光熱效應(yīng)產(chǎn)生氣泡，并使內(nèi)部體積膨脹，導(dǎo)致致動器撞擊基底并產(chǎn)生跳躍，從而可以實現(xiàn)障礙物的跳躍。

作者簡介

劉遵峰，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。研究方向為：仿生智能高分子材料，包括高強韌人造蜘蛛絲、人工肌肉、柔性電子、柔性制冷等。目前共發(fā)表SCI論文100篇，總計SCI他人引用13000余次。其中以第一作者和通訊作者在Science (2篇), Nat. Commun., Adv. Mater. Chem. Soc. Rev等國際學(xué)術(shù)SCI期刊上發(fā)表研究論文60余篇。其中2015年關(guān)于可拉伸導(dǎo)體的研究工作被美國《Discover Magazine》評選為2015年度全球TOP100重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)；2019年關(guān)于“扭熱制冷”的工作開創(chuàng)了新型固態(tài)柔性制冷新方法，大幅提高了制冷效率；研發(fā)的水凝膠纖維人造蜘蛛絲強度與韌性性能接近天然蜘蛛絲。受邀撰寫多篇綜述，授權(quán)中國專利10余項。在多個國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議做邀請報告60余次。

周湘，中國藥科大學(xué)副教授，主要研究方向為小分子和聚合物的合成及其在藥物遞送和智能材料中的應(yīng)用。目前共發(fā)表SCI論文30余篇，包括Nat. Commun., Chem. Soc. Rev, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.,等。

李晶晶，武漢紡織大學(xué)講師，2019年畢業(yè)于南開大學(xué)，主要研究方向為智能驅(qū)動材料的研究及應(yīng)用。目前共發(fā)表SCI論文10余篇，包括Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等。

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