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研究人員從自然界生物系統中獲取了大量靈感，開發出許多各具特色的軟體機器人，像模仿昆蟲幼蟲的跳躍機器人、模仿猴子的攀爬機器人等。然而，現有的仿生軟體機器人存在不少局限，比如活動能力受限、應用場景單一，大多只能依賴單一的運動模式。蛇作為一種極具特點的生物，擁有多樣化且強大的運動能力，如纏繞獵物、側繞爬行、手風琴爬行和蜿蜒攀爬等，這為軟體機器人的設計提供了新的思路。雖然此前也有不少受蛇啟發的機器人研究，但大多存在體積大、依賴氣動控制或只能模仿單一運動模式的問題，因此開發小型、無繩且能實現多模態運動的蛇形軟體機器人具有巨大的應用潛力。

From Coils to Crawls: A Snake?Inspired Soft Robot for Multimodal Locomotion and Grasping

He Chen, Zhong Chen*, Zonglin Liu, Jinhua Xiong, Qian Yan, Teng Fei, Xu Zhao, Fuhua Xue, Haowen Zheng, Huanxin Lian, Yunxiang Chen, Liangliang Xu, Qingyu Peng*, and Xiaodong He*

Nano-Micro Letters (2025)17: 243

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01762-9

2. 通過模仿蛇的獵物處理行為，ICSBot能夠起到螺旋抓取器的作用，能夠實現動態展開、抓取物體和可控釋放。

目前，已經開發了許多受自然生物系統啟發的仿生機器人。然而，創造具有多種運動模式的軟體機器人仍然是一個重大挑戰。蛇作為無脊椎動物爬行動物，表現出多樣化和強大的運動能力，纏繞獵物、側繞爬行、手風琴爬行和蜿蜒攀爬行等，使其成為仿生機器人研究的重點。

在這項研究中，哈爾濱工業大學赫曉東院士、彭慶宇教授研究團隊與東方電氣集團科學技術研究院陳仲博士合作，提出了一種蛇啟發的軟體機器人(ICSBot)，其具有初始螺旋結構。其制備方法是將MXene-纖維素納米纖維(CNF)復合油墨通過直接油墨書寫(DIW)技術印刷在預膨脹聚乙烯(PE)薄膜上。通過理論計算和有限元分析(FEA)預測ICSBot的初始結構，實現了ICSBot的可控制造，并設計和制造了可編程ICSBot。該機器人作為一個螺旋抓取器，能夠在近紅外光刺激下抓取形狀復雜的物體。此外，它還展示了在各種環境中的多模式爬行運動，包括密閉空間、非結構化地形以及管道內外。這些結果為設計和制造初始螺旋結構軟體機器人提供了一種新的策略，并突出了它們在智能和多功能機器人中的潛在應用。

IICSBot的設計與制造

ICSBot 的制備過程融合了先進技術。研究人員通過直接墨水書寫(DIW)技術，將MXene-纖維素納米纖維(CNF)墨水打印在預膨脹的聚乙烯(PE)薄膜上。在制備過程中，先利用 HCl/LiF 混合溶液蝕刻法合成Ti3C2Tx MXene，再將其與CNF按一定質量比混合制成墨水。打印時，將PE薄膜預熱后，擠出墨水，在不同角度下打印，冷卻后快速揭下，就能得到具有可控初始卷繞結構的雙層薄膜。而且，研究人員還通過理論計算和有限元分析(FEA)來預測和優化 ICSBot 的初始結構，發現打印角度和打印平臺溫度對其螺旋結構的螺距和直徑影響很大，實驗結果也驗證了這一模型的準確性，為 ICSBot 的可控制造提供了保障。此外，FEA方法有助于快速設計具有復雜初始結構的ICSBot。這些復雜幾何結構的可編程ICSBot推動了下一代軟體機器人的發展。

ICSBot表現出優異的驅動性能，在光、濕度和溫度等多種刺激下都能有不同的表現。由于MXene-CNF層具有優異的光熱轉換性能，在近紅外(NIR)光照射下，能迅速將光能轉化為熱能，使自身溫度升高，導致水分子脫附而收縮，而PE層則產生各向異性熱膨脹，兩者的應變不匹配使 ICSBot產生解旋變形；光照停止后，它又能恢復原狀。在不同的NIR光強度下，ICSBot的螺距和直徑變化可逆，且光強越大，響應速度越快。濕度增加時，MXene - CNF層因吸水膨脹，會使ICSBot 發生螺旋變形。溫度變化同樣能引起它的變形，高溫會使 PE 層膨脹導致ICSBot解旋變形，低溫(如液氮蒸汽環境)則會讓它顯著收縮。

受蛇的捕食行為啟發，ICSBot被設計成了一個螺旋抓手。在NIR光照射下，它能從螺旋狀態展開，移動到目標物體外部，光照停止后，又會恢復卷曲，緊緊抓住物體，再次光照則可釋放物體。與傳統的多臂軟體機器人抓手相比，ICSBot能緊密纏繞物體，大大增加了接觸摩擦，可抓取各種形狀的物體，從細長的圓柱體到 L 形、球形、三角形棱柱和長方體的牢固抓取說明了其抓取的通用性，并且得益于初始的卷繞結構，其在狹小空間內的操作優勢明顯。

IV 蛇靈感的多模態爬行運動

4.1 側繞爬行

模仿蛇在惡劣環境中的側繞運動，ICSBot在NIR光照射下，通過部分結構的展開和重心的移動實現了可控的爬行。改變光照方向和打印角度，就能控制它的爬行方向和距離。它還能在負載(313%的自身重量)和非結構化環境(如波浪形沙地和樓梯狀障礙物)中持續爬行，在高噪聲環境下也能穩定運動，展現出強大的適應能力。

圖4. 在近紅外光照下ICSBot的側繞爬行運動。

4.2 手風琴爬行

為了在狹窄空間中高效移動，ICSBot能像蛇一樣進行手風琴運動。在NIR光的刺激下，它通過后端、中間和前端結構的依次展開和收縮，以及與管壁的摩擦力變化，實現向前移動。在6mm直徑的管道中，它320秒能前進53.4mm，在傾斜管道和S形、U形管道中也能順利通行，還能將管內的球形物體推出。

4.3 蜿蜒攀爬

ICSBot還具備模仿蛇蜿蜒攀爬的能力。在 NIR 光照射下，它能沿著管道外壁攀爬，通過前端、后端的次序展開和恢復，以及與管道的摩擦力，實現周期性的向前運動。在200秒內，它能沿著6mm直徑的管道外壁攀爬19.4mm，并且在抖動的橡膠管上也能攀爬，拓展了在非結構化環境中的應用潛力。

圖5. 在近紅外光照下ICSBot的手風琴爬行和蜿蜒爬行運動。

ICSBot的誕生是軟體機器人領域的一項重大突破。它通過DIW技術與理論計算、FEA相結合，實現了初始卷繞結構的精確控制。憑借MXene-CNF層和PE層的刺激響應特性，在多種刺激下展現出可逆的螺旋變形能力，進而實現了仿生抓取和多模態運動，在靈活性、刺激響應能力和運動模式多樣性上遠超其他同類軟體機器人。未來，ICSBot有望在更多領域發揮重要作用。在醫療領域，它可以在人體內部的狹窄空間(如血管、腸道)中執行任務，進行疾病診斷和治療；在工業領域，能在復雜的管道系統中進行檢測和維護；在救援領域，可在災難后的廢墟中靈活穿梭，尋找幸存者。相信隨著研究的不斷深入，以ICSBot為代表的軟體機器人將不斷優化升級，為人們的生活和工作帶來更多便利和驚喜。

赫曉東

本文通訊作者

哈爾濱工業大學 教授

▍主要研究領域

復合材料力學、輕量化結構設計、制造與評價方面的研究，成果已經應用于火箭、飛行器和相關裝備。

▍主要研究成果

赫曉東，哈爾濱工業大學教授、博士生導師、中國工程院院士、國家級重點實驗室主任、特種環境復合材料結構和工程力學專家，國家高層次人才計劃入選者、教育部創新團隊負責人、國務院學位委員會第八屆力學學科評議組專家、商業航天產業技術創新聯盟理事長、黑龍江省人大代表。獲國家科學技術獎3項、省部級一等獎6項、黑龍江省省長特別獎、黑龍江省最高科技獎。出版專著6部，發表SCI論文350余篇，SCI他引11000余次。授權發明專利150余項，獲軟件著作權9項。

▍Email：hexd@hit.edu.cn

彭慶宇

本文通訊作者

哈爾濱工業大學 教授

▍主要研究領域

面向航天先進裝備對于復合材料“輕、熱、功、智”的迫切需求，重點開展低維材料宏觀化與復合化制造的研究工作。聚焦智能復合材料前沿領域，圍繞“柔性驅動/傳感材料的多尺度結構設計與性能調控”和“復合材料結構-功能一體化創新體系構建”開展相關研究，涉及仿生智能器件、柔性電子及電磁防護等交叉應用。

▍主要研究成果

彭慶宇，教授，博士生導師，國家級青年人才、某部委重點項目首席技術專家，國家重點研發計劃首席青年科學家。迄今為止在《Advanced Materials》、《Nano-Micro Letters》、《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、《Engineering》、《Nano Energy》、《npj Flexible Electronics》、《Materials Horizons》等期刊發表SCI論文90余篇，其中4次被封面報道，引用4000余次，H-index為39，申請發明專利40余項。榮獲2024年度中國復合材料學會科學技術獎一等獎，第二屆中國科協“青年人才托舉工程”，中國復合材料學會“杰出青年工程師獎”(兩年評選一次，全國5名)，黑龍江省自然科學基金優秀青年基金，首屆中國復合材料優秀博士學位論文獎(全國5名)等獎勵；作為項目首席技術專家獲批某部委重點項目，作為負責人累計承擔各部委項目20余項。

▍Email：pengqingyu@hit.edu.cn

陳仲

本文通訊作者

東方電氣集團科學技術研究院 研發工程師

▍主要研究領域

(1)高性能納米微球材料；(2)柔性傳感及智能驅動材料；(3)納米碳氣凝膠材料。

▍主要研究成果

陳仲，2024年在哈爾濱工業大學獲得博士學位，同年加入東方電氣集團科學技術研究院有限公司，目前在東方電氣潔能科技成都有限公司新材料所擔任導電互聯材料研發工程師。迄今在《Nano-Micro Letters》、《Acs Nano》、《Journal of Materials Science and Technology》、《ACS Applied Materials & Interfaces》等期刊累計發表SCI論文10余篇，引用400余次。申請發明專利6項，授權5項。

▍Email：nick.chenzhong@outlook.com

文章來源：納微快報(英文)