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  軟體驅動器在軟體機器人，傳感器，智能控制，人工智能和視覺智能領域受到了廣泛的關注。通過拉伸、收縮、和扭轉變形的組合，可以實現(xiàn)不同類型的運動，例如彎曲，滾動和跳躍。軟體機器人需要柔性驅動器，例如通過人工肌肉舉起或移動物體來執(zhí)行某些工作。另外，在高級智能系統(tǒng)的開發(fā)中，還需要集成感知、信號傳輸和控制功能的驅動器，這進一步激發(fā)了對多功能驅動器的需求。

  南開大學劉遵峰教授等人最近在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表的綜述“Progresses in Tensile, Torsional, and Multifunctional Soft Actuators”，總結了可以執(zhí)行拉伸和扭轉驅動的各種類型的軟驅動器，包括加捻纖維、形狀記憶高分子、水凝膠、液晶高分子、導電聚合物以及天然材料等。此外，該綜述還列舉了用于可以實現(xiàn)提升物體的彎曲或滾動變形的驅動器的示例，并且總結了有關多功能柔性驅動器結合傳感和信號傳輸功能的最近報道。最后，該綜述總結了各種驅動器的優(yōu)缺點以及挑戰(zhàn)，包括可以實現(xiàn)拉伸和扭轉驅動的不同方式，不同的材料以及用于提升或移動物體的設計，以及具有驅動和感應功能的多功能驅動器的構造。

1、纖維人工肌肉

  具有捻曲結構的纖維人工肌肉可以通過對纖維加捻來產(chǎn)生拉伸和扭轉驅動，而將該加捻纖維盤繞成彈簧狀則可以增大其伸縮驅動的行程。該部分首先總結了纖維人工肌肉的驅動機制，而后列舉并討論了通過不同刺激（例如熱、溶劑吸收或滲透、電化學、和光刺激等）驅動的纖維驅動器。

△熱膨脹驅動的加捻纖維人工肌肉。 圖A為捻曲纖維人工肌肉及其前體尼龍6,6單絲的光學圖像。圖B為熱驅動雙壓電晶片纖維人工肌肉的熱拉伸過程。圖C為用于拉伸和扭轉致動的捻曲纖維人工肌肉的結構。從左到右分別是伸縮驅動的扭轉固定螺旋纖維，可逆扭轉驅動的扭轉固定捻曲纖維，不可逆扭轉驅動的非固定加捻纖維，以及不可逆中間扭轉驅動的纖維。圖D為鎳鈦合金絲人工肌肉的工作機制示意圖。纖維底部黃色部分為鍍金的鎳鈦合金絲。

2、形狀記憶高分子

  形狀記憶高分子是驅動器中一類重要的組成部分，可以顯示出拉伸和扭轉驅動。通過預變形及升溫固定聚合物鏈，可以設定聚合物的暫時形狀；升溫使聚合物鏈重新激活，形狀恢復為變形前的形狀。形狀記憶高分子可以顯示單向和雙向驅動，具體情況取決于不同結構設計產(chǎn)生的可逆或不可逆的交聯(lián)點。

△形狀記憶高分子及其在人工肌肉中的應用。 圖A為由兩種具有不同熔融溫度的聚合物構成的物理交聯(lián)形狀記憶高分子。圖B為具有cPEVA(交聯(lián)聚乙酸乙烯酯)的形狀記憶高分子具有寬熔融溫度范圍，可以提供梯度交聯(lián)。圖C為由PCL(聚己內酯)和PTMEG(聚四亞甲基醚二醇)構建的具有互穿網(wǎng)絡的形狀記憶高分子。

3、介電彈性體驅動器

  介電彈性體驅動器是一種由電活性聚合物薄膜構成的驅動器，具有變形速度快、驅動應變大、輕便等優(yōu)勢，在軟體機器人領域有著廣泛的應用前景。通過在介電聚合物薄膜兩側的電極上施加電壓，在靜電吸引力的作用下沿膜厚度方向壓縮，同時膜橫向尺寸增大。堆疊多層聚合物薄膜或使用管狀結構及“彈簧輥”結構可以放大驅動行程、實現(xiàn)伸縮驅動，并提供較大的驅動力。

△拉伸和扭轉驅動的介電彈性體驅動器。 圖A為單軸預應力硅樹脂薄膜的線性驅動示意圖。圖B為將預拉伸的薄膜卷成螺旋彈簧軸的示意圖，該膜單軸驅動長度隨響應電壓的變化而變化。圖C為管狀介電彈性體驅動器的單向延伸。圖D為CNT@rubber@CNT@fiber介電彈性體扭轉驅動器的示意圖及其扭轉驅動、拉伸驅動以及驅動速度與加捻密度的關系。圖E為堆疊的多層介電彈性體驅動器。

4、水凝膠材料

  水凝膠因其柔軟的特點在軟體機器人應用中具有巨大前景。作為一種重要的刺激響應材料，可以在如溫度、pH等外部刺激下產(chǎn)生形狀變化。這種形變是由于聚合物鏈的形態(tài)變化導致在溶劑中的溶解度改變而引起的。最近的研究發(fā)現(xiàn)，其他類型的刺激，例如濕氣、溶劑和磁場也可使水凝膠產(chǎn)生驅動。

△熱響應的拉伸和扭轉水凝膠驅動器。 圖A為用于加熱驅動的雙層PNIPAM-PAA/ SA（聚(N-異丙基丙烯酰胺)-聚丙烯酸/海藻酸鈉）彈簧纖維線圈的示意圖，可分別實現(xiàn)收縮和伸長驅動。圖B為納米片之間的靜電力作用示意圖。

5、液晶高分子

  液晶高分子是一種重要的驅動器，也可以完成拉伸和扭轉驅動，這是通過在熱或光驅動時從向列相轉變?yōu)楦飨蛲韵鄟韺崿F(xiàn)的。驅動前通過多種方式（包括拉伸取向、表面取向等）對液晶高分子前體進行加工，可以實現(xiàn)液晶高分子的熱/光驅動的伸縮或扭轉。液晶高分子還顯示出不可逆和可逆的致動，取決于是否存在驅動期間不會被破壞的其他交聯(lián)網(wǎng)絡。

△可旋轉及伸縮的液晶高分子驅動器。 圖A為三明治結構的液晶彈性體膜組成的管狀驅動器的驅動示意圖。圖B為用液晶彈性體墨水熱直寫制備液晶彈性體材料的示意圖。圖C為對液晶彈性體前體同時進行“焊接”和“取向”，以獲得具有復雜3D結構和驅動變形的液晶彈性體驅動器。

6、導電聚合物

  導電聚合物可以作為電化學驅動器。當給聚合物施加電壓時，它展現(xiàn)出可逆的伸長驅動行為，當移除電壓時又可以恢復原狀。使用不同類型和結構的導電聚合物可以提升驅動器的驅動行程，驅動力和做功能力。導電聚合物纖維也可以用來設計可穿戴的人工肌肉紡織品。

△導電聚合物驅動器。 圖A為導電聚合物致動機制的示意圖。圖B為PPY / DBS（聚吡咯/十二烷基苯磺酸）纖維驅動器在還原態(tài)和氧化態(tài)之間徑向膨脹和收縮的示意圖。圖C為導電織物驅動器的圖示以及通過杠桿臂提升負載的應用。該紡織品是由涂有導電聚合物的纖維素紗線制成的。

7、天然材料

  除了合成材料，一些天然材料在受到外部刺激的時候（主要是濕度影響）也可以產(chǎn)生拉伸和扭轉驅動，比如蜘蛛絲和蠶絲等。對于蜘蛛絲來說，扭轉驅動依賴于天然纖維材料內部的扭轉結構，與此同時它還表現(xiàn)出可逆和不可逆的伸縮驅動。蜘蛛絲暴露在濕氣中可以觀察到不可逆的超收縮現(xiàn)象，同時由吸收水分造成的體積膨脹也可產(chǎn)生可逆驅動。利用蜘蛛絲的“固-液”過渡效應可以設計一種可逆驅動，蜘蛛絲在這個過程中會在液滴中彎曲并收縮成線圈。

8、多功能驅動器

  文章在這一部分總結了能夠監(jiān)測形變時變形大小的多功能驅動器的進展。拉伸和彎曲驅動器都可以與應變傳感器集成在一起，通過感應電阻或者電容的大小測量驅動應變。驅動產(chǎn)生的形變改變了應變傳感器的電阻或者電容，從而改變輸出的電信號，實現(xiàn)測量。

△集成了應變感應功能的多功能驅動器。 圖A為使用可拉伸的CNT@rubber@CNT@fiber電容型應變傳感器，測量高分子螺旋纖維人工肌肉的應變的示意圖。圖B為基于紙張的磁響應驅動器的示意圖。圖C為光驅動多傳感式graphite/ CNT / PVDF / PDG（石墨/碳納米管/聚偏氟乙烯/聚多巴胺還原氧化石墨烯）薄膜驅動器的示意圖。圖D為石墨烯微管網(wǎng)集成自感應離子柔性驅動器的示意圖。圖E為濕度驅動的單層氧化石墨烯驅動器的示意圖，其中用于應變傳感的還原氧化石墨烯線通過激光還原氧化石墨烯得到。

  文章在最后一部分中還舉例說明了拉伸和扭轉人工肌肉在未來的可能應用，例如可用來舉起物體或與人造骨骼和關節(jié)連接。 此外，人工肌肉還可以用于運輸和混合液體或用作發(fā)電機或傳感器，該綜述有助于讀者通過跨學科研究，實現(xiàn)不同類型的驅動器來提供更多的可能。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202007437