软体机器人
因其安全性和环境适应性强，在医疗、探测等领域潜力巨大，但如何实现自主响应外界刺激并实时反馈运动状态仍是难题。现有驱动材料常面临能量转换效率低、传感与控制分离等问题，导致机器人动作迟滞且无法动态调整。
因此，开发
兼具快速驱动与高精度感知的一体化材料
，成为推动软体机器人迈向智能化的关键挑战。
鉴于此，来自
澳门大学的Dazhe Zhao以及钟俊文团队
开发了一种
集成传感与驱动功能的不对称三层水凝胶肌肉
。该材料通过热响应驱动层与应变传感层的协同设计，实现了软体机器人对物体重量、尺寸的实时识别及自主运动。相关研究以
“Sensing-actuating integrated asymmetric multilayer hydrogel muscle for soft robotics”
为题发表在
《Microsystems & Nanoengineering》
上。
以下是对本论文创新点的简要概述：
（1）不对称三层仿生结构：
研究团队受生物皮肤-肌肉结构启发，设计出由驱动层（p(NIPAm-HEMA)）、加热层（蛇形铜线）和传感层（p(AAm-AA)/CNT/LM）组成的三层水凝胶。驱动层在45℃下8秒内体积收缩58%，传感层通过电阻变化精准反馈形变，解决了传统材料驱动与传感分离的瓶颈，为软体机器人提供一体化解决方案。
（2）快速响应与高机械强度驱动层：
通过优化HEMA含量（30%），驱动层在低温聚合中形成开放孔结构，兼具快速热响应（收缩率58%）与高机械强度（应力17 kPa）。结合定制化加热层，水凝胶肌肉可编程变形，弯曲角度达120°，响应速度较传统光热驱动提升3倍以上。
（3）闭环控制的自爬行机器人：
基于传感层电阻信号，团队开发了模块化分布的软体爬行机器人。通过闭环控制，机器人能根据自感知阻力信号调整驱动节奏，实现0.075 mm/s的自主前进。该设计首次将水凝胶肌肉的感知-驱动闭环应用于水生环境，拓展了软体机器人的应用场景。
这项研究不仅为软体机器人提供了高性能的仿生“肌肉”，更通过传感-驱动一体化设计，开启了自主反馈与智能控制的新可能。
1. 仿生多层水凝胶肌肉的结构设计与制备
研究团队受生物皮肤-肌肉协同机制启发，设计了一种不对称三层水凝胶肌肉。驱动层由热响应性聚（NIPAm-HEMA）水凝胶构成，在45℃下8秒内体积收缩58%，通过低温聚合形成开放孔结构以增强响应速度。传感层由掺杂碳纳米管（CNT）和液态金属（LM）的聚（AAm-AA）水凝胶组成，具备稳定的导电性（0.58 S/m）和抗溶胀性能。加热层采用蛇形铜线嵌入两层水凝胶之间，通过焦耳热实现可控弯曲变形。三层结构通过粘合剂无缝结合，兼具快速驱动与实时感知功能。
图1 仿生三层水凝胶肌肉的协同设计与微观结构
2. 热响应驱动层性能优化与动态调控
驱动层的热响应性能通过优化HEMA含量（30%）显著提升。开放孔结构加速了水分排出与吸收，使其在45℃下收缩率高达58%，同时机械强度提升至17 kPa（较无HEMA时提升2.4倍）。通过调控加热层长度（4-24 mm）与驱动电压（3-6 V），水凝胶肌肉弯曲角度可编程控制（30°-120°）。实验表明，1 mm厚驱动层与0.5 mm传感层的组合在兼顾变形速度（8秒收缩）与机械稳定性的同时，最大弯曲角度达140°。
