擊關注，金色開放獲取

作者

趙鑫、唐剛強、梅棟、趙春、王延杰、李立杰

機構

河海大學、江蘇省特種機器人技術重點實驗室、英國斯旺西大學

Citation

Zhao X, Tang G Q, Mei D, Zhao C, Li L J, Wang Y J. 2025. Stimuli-responsive actuators in water environment: a review and future research agenda. Int. J. Extrem. Manuf.7022013.

免費獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad9fbb

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

隨著人類對海洋勘探、科學考察和水下工程的需求不斷增加，具有高環境適應性和復雜變形能力的水下致動器對推動海洋資源開發具有重要意義，但同時也存在很強的挑戰性。具有本征柔軟特性的刺激響應致動器可以將不同種類的能量（如水分、光、熱等）轉換并利用為機械能，在提高能源利用率的同時保留了靈活的柔韌性和多自由度，并實現了運動形式的多樣化發展，包括拉伸、滾動、旋轉、跳躍等。與空氣環境相比，水環境的應用對刺激響應致動器的性能和穩定性提出了更高的要求。為了給刺激響應聚合物的柔性驅動設計、高效可靠制備和水環境應用提供指導，河海大學王延杰教授團隊在SCI期刊《極端制造（英文）》期刊上發表了題為《Stimuli-responsive actuators in water environment: a review and future research agenda》的文章，論文第一作者為河海大學博士研究生趙鑫。

該論文綜述了刺激響應致動器在刺激響應模式、功能設計策略和先進制造方法等方面的前沿進展，聚焦水環境中的應用需求對比分析了各類型致動器的優勢和局限性，探討了以水生生物為原型的仿生機器人以及刺激響應致動器在水面、水下、跨域等不同環境介質中的典型應用，并提出了未來的發展方向，對柔性水下驅動器與軟體機器人領域的發展具有重要意義。

圖1刺激響應致動器的致動模式、功能設計、制造技術以及水環境應用。

02

圖文解析

圖2展示了刺激響應聚合物在不同刺激響應模式下的驅動原理，包括電響應、磁響應、光響應、熱響應和化學響應。電響應模式又可分為包含電-離子驅動的電場驅動、靜電驅動和電熱響應。磁響應可以通過永磁體或電磁線圈來實現。光響應模式涉及光誘導分子異構化和光熱效應的應用。除了環境加熱引起的相變或熱膨脹效應外，紅外熱感應和焦耳熱也是另外兩種常用的熱響應模式。化學響應致動器的宏觀變形主要取決于有機溶劑蒸汽或 PH 值變化與材料聚合物鏈之間的相互作用。目前，電-離子致動器特別適用于潮濕和水下應用，而其它電場驅動的軟致動器均面臨著防水封裝和驅動性能最優化之間的平衡性挑戰。磁響應致動器尤其適用于封閉環境和微納應用，在水下產生和保持穩定可控的磁場是磁響應致動器在深水環境中應用面臨的技術挑戰。光響應致動器在水面上的應用非常理想，而在深水領域的應用需要解決光束傳播受限、光強衰減、水下環境中光源穩定性等問題。直接供能式熱響應致動器在水中的熱響應滯后和環境溫度效應比空氣環境中更嚴重，近年來高響應頻率的光熱致動器在水環境中的應用逐漸成熟，電熱驅動在大水深區域更加精確、可控、操作簡單。化學響應致動器適用于特殊的液體環境，能夠發揮其化學響應多樣性的特點。

圖2刺激響應致動器的驅動原理示意圖。

為確保致動器能夠在特定刺激條件下實現所需的變形或運動，刺激響應致動器的功能設計是必要的。令人滿意的柔性致動器需要滿足多項要求，例如彈性、對刺激的響應性、輕量化、耐用性和可定制性，如圖3所示。與空氣環境相比，具有更高驅動性能和穩定性的刺激響應致動器需要更高水平的制造工藝來適應復雜的水環境。刺激響應致動器的常見制備方法包括成型、激光加工、印刷、紡絲制造、光聚合和自組裝，如圖4所示。每種類型的致動器都有適合自身驅動特性的制備方法。

圖3刺激響應致動器的功能設計：（a） 彈性機械性能；（b）刺激響應下的可逆分子構象變化；（c） 厘米級到納米級的輕量化過渡；（d） 宏觀結構定制化調節；（e）微觀結構定制化調節；（f） 可重構結構設計；（g）多形狀編程設計。

圖4刺激響應致動器的制造方法。（a） 模具成型；（b） 激光還原法；（c） 多材料 3D 打印；（d） 4D 打印法；（e） 靜電紡絲法；（f） UV 聚合法。

目前，以水生生物的功能優勢為學習和參考目標，將智能材料與生物結構設計功能相結合，無限接近海洋生物的無人系統設備已成為新的技術趨勢。受海洋生物的形態、游泳機制和運動模式的啟發，研究人員將刺激響應材料整合到水下仿生機器人的開發中，如圖5所示。盡管機器人的彈性模量與海洋生物相當甚至更高，但缺乏海洋生物獨特的復雜控制機制和自主感知驅動能力為實現真正意義的仿生帶來了局限性。除了水中仿生機器人外，其他水環境中機器人根據環境介質還可以進一步分為水面機器人（圖6）、水下機器人和跨域機器人（圖7）。

圖5水環境中的仿生機器人：（a）帶有尾致動器的仿生魚；（b）軟電子魚；（c） 受魷魚啟發的游泳機器人；（d） 類水母微型游泳機器人；（e） 一體化仿水母機器人；（f）仿黃貂魚機器人。；（g） 人造章魚；（h）海星機器人；（i） 仿生海葵致動器；（j）人工細菌鞭毛；（k）仿水黽水上行走機器人；（l）仿生彈涂魚機器人。

圖6水面機器人。（a）馬蘭戈尼效應驅動的水面機器人；（b） 自適應振蕩水面機器人；（c）水面跳躍機器人；（d） 三足水上行走機器人；（e）劃槳和拍打運動。

圖7水下機器人和跨域機器人：（a） 游泳機器人；（b） 水下振蕩器；（c）水下行走機器人；（d） 浮潛運動（e）水下抓手；（f）水下貨物運輸機器人；（g） 具有感知功能的水下機器人；（h）水蜘蛛跨域機器人。

03

總結與展望

本研究綜述了刺激響應聚合物基致動器在水中仿生機器人領域的最新進展，旨在為開發具有類生物靈活性和水環境適應性的水下機器人提供參考。此外，根據刺激響應聚合物在不同環境介質中的運動機理，總結了水面機器人、水下機器人和跨域機器人的典型應用案例，并對其關鍵技術指標進行了詳細梳理。最后，本文討論了基于刺激響應致動器的水下機器人面臨以下挑戰：

（1） 智能材料領域的當前挑戰包括有限的致動行為和昂貴且復雜的制備方法。因此，迫切需要開發高性能、低成本、易加工、無毒的新型智能材料。

（2） 盡管刺激響應聚合物在水環境中的應用在實驗室階段取得了進展，但在污水、深海甚至極端條件等復雜現實環境中的應用在材料耐久性和機械結構穩定性方面仍需進一步加強。

（3） 在水環境中，單一的刺激反應往往有很多局限性。未來的研究方向之一是探索如何結合多種刺激反應機制，以便在水環境中發揮更多優勢。

（4） 當前水環境中的執行器通常需要外部能源供應和手動控制。開發具有感知反饋和自供電能力的新型刺激響應致動器已成為水下設備領域的技術前沿，也是未來需要注重突破和創新的研究方向。

相關視頻，請點擊下方

河海大學博士研究生趙鑫為文章第一作者，河海大學王延杰教授為通訊作者，英國斯旺西大學Lijie Li教授為論文的共同作者。該工作得到了國家重點研發計劃（2022YFB4703401）、教育部聯合基金（8091B032250）等項目的資助。近年來，團隊對柔性致動器的機理、制備、性能改進與應用進行了一系列的探索。在致動機理方面，團隊解析了枝狀界面電極對電-離子致動器的驅動性能增強機制（Smart Mater. Struct. 2023，32，9），利用電極物理噴涂工藝實現了電-離子型致動器的驅動性能優化（Materials & Design 2023, 229, 111882）。在濕度驅動器研究方面，團隊提出了一種可編程的濕度驅動器，實現了大變形與快響應速度（Sensors & Actuators: B. Chemical 2023, 393, 134152），并通過結合離子聚合物和羧化碳納米管開發了高性能的濕度/光雙響應驅動器（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 10.1021/acsami.4c12202）。

04

作者簡介

王延杰

河海大學

王延杰（通訊作者），河海大學機電工程學院教授、博士生導師，美國內華達大學、英國斯旺西大學訪問學者，河海大學“大禹學者”。長期從事智能材料與結構、先進仿生與軟體機器人系統、離子驅動與傳感技術等，近年來在《Advanced Functional Materials》《ACS Applied Materials & Interfaces》《Sensors and Actuators B: Chemical》《Soft Robotics》等國內外知名期刊發表學術論文110余篇，授權國家發明專利30余項，參編學術專著3部，獲得江蘇省科技進步獎三等獎。先后主持國家自然科學基金面上項目、青年項目，教育部裝備預研聯合基金等，承擔參與國家重點研發計劃課題2項。

趙鑫

河海大學

趙鑫（第一作者），河海大學博士研究生。

微納機器人的設計與制造

掃碼獲取全文

Direct 4D printing of functionally graded hydrogel networks for biodegradable, untethered, and multimorphic soft robots

2025

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利

? 金色開放獲取

? 提供綠色通道快速評審原創突破性成果

? 接收后24h內在線

? 免費全球化宣傳推廣

? 免費高質量圖片編輯與規范化文獻校對

專題征稿

Call for Papers

動態封面

2024-05

2024-04

2024-03

2024-02

2024-01

2023-04

2023-03

2023-02

2023-01

? 更多往期 點此獲取 ?

微信號｜IJEM-Editor

掃碼加小編微信

邀您進極端制造群

撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

本文旨在傳遞、分享最新科研信息。如涉及作品版權問題，請及時聯系我們，我們會及時處理以保障您的權益。感謝一直關注和支持本公眾號的朋友們！