近日，中国科学院理化技术研究所与北京林业大学联合团队在《Nature Communications》上发表了一篇研究论文《Transformable 3D Curved High-Density Liquid Metal Coils – An Integrated Unit for General Soft Actuation, Sensing and Communication》，展示了一种创新的3D弯曲高密度液态金属线圈（HD-LMC）技术，不仅突破了传统刚性线圈的限制，还为软体机器人领域柔性执行、感知与通讯功能一体化集成提供了全新的可能性。文章第一作者为理化所博士生李楠，通讯作者为理化所刘静研究员和北林王磊副教授。
柔性线圈近年来在软体机器人领域引人瞩目，然而由于其稀疏的结构和制造技术上的挑战，限制了进一步的应用。此项研究中，团队成功开发了一种3D弯曲高密度液态金属线圈（HD-LMC），其结构密度超过了传统的漆包线。这种线圈由液态金属（EGaIn）和弹性PDMS基底构成，具有优异的柔韧性和机械性能。此外，制作HD-LMC的方法不仅适用于PDMS，还可扩展到环氧树脂、人用硅胶和Ecoflex等多种基材，具有普遍广泛的适用性。HD-LMC不仅在压力、温度、非接触距离传感器和近场通信中表现出色，还显著提升了软体电磁驱动器的电磁力和功率密度。这使得软体机器人在感知、驱动和通讯方面实现了功能的高度集成，极大地简化了机器人的设计和制造过程。研究团队展示了HD-LMC在多个领域的应用，包括一个能够精确控制尾部摆动的仿生河豚机器人，以及一个具有集成感知和驱动功能的软体旋转机器人。这些机器人不仅能够在水中灵活游动，还能在陆地上高速行驶，展示了HD-LMC在软体机器人中的巨大潜力。软体机器人因其出色的安全性和环境适应能力，近年来在各种应用场景中展现出巨大的潜力。然而，高精度、大工作范围、多物理感知能力、高响应速度、大功率密度和强驱动力的集成单元一直是个难题。传统的柔性传感器和驱动器往往需要多个单元协同工作，导致机器人结构庞大、复杂。而HD-LMC的出现，为解决这一问题提供了全新的思路。这项研究不仅为液态金属基多维复杂柔性电子的应用提供了理论和技术基础，还预示着液态金属集成机器人系统将迎来广泛应用。HD-LMC的高密度、多功能和柔性设计，使其在环境感知、通信和驱动等方面具有独特的优势，未来有望在医疗、工业、农业等多个领域发挥重要作用。
图2. 高密度液态金属线圈的机、电、磁、热特性
图3. 高密度液态金属线圈集成单元用于压力、温度、距离传感和近场通信
图4. 采用高密度液态金属线圈的电磁驱动器的仿生河豚
图5. 具有位置识别和速度反馈功能的高精度高速旋转机器人
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51648-4
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