研究背景

智能驅(qū)動器通常面臨響應(yīng)速度有限、依賴外部能源供應(yīng)以及缺乏多環(huán)境信號邏輯判斷能力等問題。因此，本研究提出了一種新的仿生磁能驅(qū)動器范式，通過融合磁瞬態(tài)觸發(fā)與可編程環(huán)境邏輯門控策略，實(shí)現(xiàn)無需外部能源的高速自主響應(yīng)。

自然界經(jīng)過數(shù)十億年的進(jìn)化，形成了復(fù)雜的環(huán)境適應(yīng)策略。例如，巫婆榛子種子莢在干燥時(shí)會收縮和分裂，內(nèi)壁擠壓種子，使其以12.3米/秒的最大速度彈射出去；螳螂蝦通過肌肉-關(guān)節(jié)協(xié)同作用儲存能量，在狩獵過程中釋放瞬時(shí)動能，速度可達(dá)23米/秒。這些系統(tǒng)的核心在于能量儲存介質(zhì)與觸發(fā)條件的精確耦合。

盡管仿生驅(qū)動器研究取得了顯著進(jìn)展，但現(xiàn)有技術(shù)仍面臨三大瓶頸：

1. 能量釋放速率受材料固有動力學(xué)限制，響應(yīng)時(shí)間通常為秒級甚至分鐘級
2. 能量釋放高度依賴外部能源供應(yīng)，限制了其在野外等無基礎(chǔ)設(shè)施場景中的應(yīng)用
3. 當(dāng)前系統(tǒng)缺乏協(xié)同多刺激響應(yīng)能力，無法像生物系統(tǒng)那樣對溫度、濕度等復(fù)合環(huán)境信號進(jìn)行邏輯判斷

研究內(nèi)容

1. 磁能介導(dǎo)的瞬態(tài)觸發(fā)策略

本研究選擇模仿紫花地丁軟驅(qū)動器作為典型案例。紫花地丁種子莢具有獨(dú)特的彈射機(jī)制，依靠濕度敏感的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量儲存和快速釋放。受其啟發(fā)，本研究使用直接墨水書寫（DIW）技術(shù)制備了儲存磁能驅(qū)動器，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為柔性基體。

圖1. 仿生磁能驅(qū)動器設(shè)計(jì)原理：a)紫花地丁種子莢從種子封裝到成熟彈射的整個(gè)過程示意圖；b)基于DIW墨水直寫3D打印的儲存磁能驅(qū)動器的制造過程和觸發(fā)示意圖；c)高溫觸發(fā)機(jī)制；d)水響應(yīng)機(jī)制

2. 磁性墨水的流變特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

磁性墨水的流變特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高精度制造和高效儲存磁能的關(guān)鍵基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)研究NdFeB顆粒體積分?jǐn)?shù)（20-35%）對墨水性能的影響，揭示了墨水的剪切變稀行為與其可打印性之間的關(guān)系。

圖2. 磁性墨水的流變特性和ESU結(jié)構(gòu)優(yōu)化：a)基于PDMS的磁性墨水配方和DIW墨水直寫3D打印過程示意圖；b)NdFeB顆粒體積分?jǐn)?shù)對墨水剪切變稀行為的影響；c)不同NdFeB體積分?jǐn)?shù)墨水的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；d)30vol%NdFeB墨水的粘彈性特性；e)四種儲能單元的磁通密度分布模擬

3. 磁能介導(dǎo)的種子彈射機(jī)制

受紫花地丁種子莢高效彈射機(jī)制的啟發(fā)，本研究設(shè)計(jì)了基于磁能吸引的儲存磁能彈射驅(qū)動器。該驅(qū)動器由多個(gè)長方體狀ESU拼接而成，這些單元排列在凹槽兩側(cè)，并通過底部的橫向連接件連接形成一體化結(jié)構(gòu)。

圖3. 模仿紫花地丁種子莢的儲存磁能彈射驅(qū)動器：a)非對稱儲存磁能驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖；b)驅(qū)動器展開狀態(tài)和磁場分布；c)橫截面磁通密度模擬；d)由溫度（黃光加熱，85秒響應(yīng)）和濕度（模擬降雨，145秒響應(yīng)）觸發(fā)的選擇性彈射

4. 仿生抓取驅(qū)動器

在自然界中，能量爆發(fā)系統(tǒng)并非植物獨(dú)有，許多動物也進(jìn)化出了類似的機(jī)制，青蛙舌頭就是典型的例子。青蛙能夠在0.07秒內(nèi)通過隱藏在口腔中的折疊舌頭捕獲昆蟲，這種舌頭還能縱向折疊以固定獵物，增加與昆蟲的粘附面積，并具有抓取功能。

圖4. 模仿青蛙舌頭的抓取驅(qū)動器：a)青蛙捕食昆蟲的仿生原理示意圖；b)儲存磁能抓取驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 workflow；c)磁化和非磁化驅(qū)動器的軌跡比較；d)儲存狀態(tài)下磁通密度分布的模擬；e)在高溫觸發(fā)下驅(qū)動器抓取樹枝的整個(gè)過程

5. 邏輯門控跳躍驅(qū)動器

澳大利亞特有的班克木具有獨(dú)特的種子莢配置。種子不會自行播種，而是由一系列外部變化觸發(fā)。借鑒班克木種子莢多因素判斷響應(yīng)的原理，本研究設(shè)計(jì)了具有自然條件邏輯響應(yīng)的跳躍驅(qū)動器。

圖5. 以班克木為模型的邏輯響應(yīng)驅(qū)動器：a)班克木種子莢中的種子釋放機(jī)制；b)驅(qū)動器"鎖"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邏輯門控原理；c)儲存磁能跳躍驅(qū)動器的折疊狀態(tài)和彈跳工作流程；d)環(huán)境條件順序?qū)τ|發(fā)行為的影響；e)不同放置角度對跳躍軌跡的影響

研究結(jié)論

本研究提出了一種新穎的仿生磁能驅(qū)動器范式，集成了環(huán)境信號觸發(fā)的瞬態(tài)響應(yīng)、邏輯門控和被動能量儲存。通過結(jié)合硬磁材料（NdFeB/PDMS）與響應(yīng)鎖定元件（相變蠟、PVP/乙醇），驅(qū)動器能夠在熱、濕度等自然刺激下實(shí)現(xiàn)快速、自主驅(qū)動。

利用DIW墨水直寫3D打印和原位磁化技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磁化的精確控制和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造。驅(qū)動器在多種功能上表現(xiàn)出優(yōu)異性能：

• 模仿紫花地丁種子莢的種子彈射
• 受青蛙舌頭啟發(fā)的目標(biāo)抓取
• 類似班克木的邏輯門控跳躍

有限元模擬證實(shí)，尖銳邊緣的矩形單元能夠集中磁通量（0.174T），而中空環(huán)形棱鏡則能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)運(yùn)動路徑。這些創(chuàng)新為可部署、環(huán)境響應(yīng)的軟體機(jī)器人系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，在生態(tài)修復(fù)到自主野外部署等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

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