刚度调节策略赋予软机器更强的功能，以应对不同的应用需求，例如通过提高结构刚度来操纵重物。然而，大多数可编程刚度策略通常难以在结构刚度增强后保持原有的柔顺交互能力。针对这一问题，中山大学团队受肌皮系统的启发，提出了一种激励响应的柔性材料。通过施加焦耳热激励，研究人员实现了软层的刚度实时调控，并开发了三种不同的软机器来展示这种智能材料的应用潜力，例如软体机器人抓手、柔性可穿戴设备和灾后救援的可折展机构。该成果以“Synergizing Structural Stiffness Regulation with Compliance Contact Stiffness: Bio-inspired Soft Stimuli-Responsive Materials Design for Soft Machines”发表在期刊《Advanced Engineering Materials》(JCR：Q2, IF：3.6)。在本项研究中，中山大学博士生马克，张捷为论文的共同第一作者，中山大学吴嘉宁副教授及张锦绣教授为共同通讯作者。
图1
图 文 导 读
生物系统阐明结构和功能之间复杂的相互作用，提出了促进人工软机器人领域科学技术发展的突破性想法。肌肉结构利用化学能来促进不同的收缩反应，并在被动（最小刚度）和主动（最大刚度）状态之间表现出不同的刚度，从而能够调节刚度。同时，由位于肌肉外部的胶原蛋白和弹性纤维组成的真皮提供适应性的交互能力。这种生物范式可能为开发适合需要负载能力和合规性交互的应用的智能材料提供灵感。受肌肉皮肤系统的启发，研究人员将智能材料结合起来构建软激励响应材料(SRM)。如图2A所示，采用形状记忆合金(SMA)来模仿肌肉，并使用硅基板来模拟皮肤的特性。与传统SMA驱动的软机器人不同， SRM在焦耳热刺激的影响下表现出类似肌肉皮肤的刚度提升能力，从而实现软机器的刚度调节。同时，硅基板保持最小的接触刚度，保留其合规交互的能力。
图2
为阐明该材料的热机械特性，研究人员通过红外热成像记录了该材料受激励时温度变化，并对SMA样品进行了DSC实验，SRM的热机械属性如图3所示。
图3
为验证该材料的刚度调控能力以及表面的柔顺交互能力，研究人员对SRM进行了三点压弯实验以及表面接触刚度测量。发现SRM激励前后弯曲模量从6.6提升至142.4MPa，提升约为21.5倍的抗弯刚度；但接触刚度的杨氏模量始终维持在2.2Ma附近，与硅胶板1.95的杨氏模量维持相当水平。可见改材料能够有效调控结构刚度的同时，维持了柔顺的环境交互能力。（图4）
图4
为展现该材料在软机械领域的应用潜力，研究人员将SRM融入到了三种机械场景中，分别是机器人抓手、可穿戴设备和可折展机构。详细内容请参照视频：
SI Video4
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SI Video6.
文 章 信 息
Title：Synergizing Structural Stiffness Regulation with Compliance Contact Stiffness: Bio-inspired Soft Stimuli-Responsive Materials Design for Soft Machines
Authors：Ke Ma1, †, Jie Zhang1, †, Ruotong Sun1, Binhan Chang1, Siyuan Zhang1, Xiaojun Wang3, *, Jianing Wu 1, 2, *, Jinxiu Zhang1, *
Journal：Advanced Engineering Materials
DOI：10.1002/adem.202400461
Link：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202400461
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