仿生驅動的案例
香港大學王立秋教授團隊AM：“剛柔并濟”仿生微纖維驅動器
軟體驅動器具有彈性、可連續變形、能順應復雜環境以及具有高的安全性等諸多優勢，在傳感器、可穿戴設備、人造肌肉、生物醫學和能源收集等諸多領域具有廣闊的應用前景。為滿足實際應用的需求（如醫療機器人等），軟體驅動器應同時具備如下特性：（1）小型化以實現對有限密閉空間的最小侵入性訪問；（2）“開”和“關”的狀態具有較大的性能差異，既足夠軟以順應各種幾何環境，又足夠硬以便能執行各種任務；（3）具有優異的驅動性能，如高能量密度、高驅動應變、高驅動應力和大舉重比等；（4）可編程的變形能力。若具備上述特性，軟體驅動器便可在執行任務時（如靶向藥物遞送/釋放和微創手術）靈活地適應可能遇到的復雜和動態環境。然而，受限于設計和制造方法的不足，軟體驅動器往往無法同時滿足上述四個特性。
近日，王立秋教授團隊通過將仿生學設計和微流控技術相結合，實現了 “剛柔并濟”的微型軟體驅動器。仿生設計原理結合了海參真皮和植物卷須的結構和功能特征，分別實現了“剛柔并濟”和可編程形變的獨立調控和協同設計，提高了軟體驅動器的整體性能。液滴微流控技術實現了微纖維型軟體驅動器的精確制備。
圖1. （a-c）仿生驅動器的設計靈感，分別結合了海參真皮（a）和植物卷須（b）的性能；（d）驅動器變形的示意圖；（e）微流控技術用于制備微型驅動器。（a）中海參照片作者為Fran?ois Michonneau，按照CC BY 3.0許可使用，（b）中植物卷須照片作者分別為W. Carter（上，CC0，維基共享資源）和Jon Sullivan（下，維基共享資源）。
展開 武漢大學Nano Energy : 用于太陽能蒸汽產生的仿生毛細管驅動泵
圖5 仿生毛細管驅動泵的組成
a) 仿生毛細管驅動泵的組裝過程； b) 4 kW·m-2太陽密度下蒸汽產生圖片。
圖6 仿生毛細管驅動泵的蒸汽產生性能
a) 太陽能蒸汽產生的實驗裝置示意圖；
b,c) 在1個和4.8個太陽強度下，泵的蒸發質量損失；
d) 在一系列光密度下泵的蒸發速率；
e) 在不同光密度下蒸發表面的溫度；
f) 在不同光密度下泵的太陽能-蒸汽轉化效率。
【小結】
研究人員成功地開發了一種基于毛細管現象的高效太陽能蒸汽產生仿生泵。通過沉積三層TiAlON基納米太陽能吸收器于NiO盤的表面，M-NiO的太陽吸收率高達0.97。結合多孔親水性M-NiO盤和一維供水設計，毛細管驅動泵在1個太陽強度下的太陽能-蒸汽轉換效率可達到73%，4個太陽強度下可達到90%。上述易于擴大規模的新設計在太陽能密度較低的情況下具有一定潛在的應用。
文獻鏈接：A bioinspired capillary-driven pump for solar vapor generation (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.039)
內容轉自材料牛
展開 寧波材料所在非對稱仿生智能水凝膠驅動領域取得系列進展
該研究成功實現了智能驅動和變色功能的協同。
圖2 （A）具有復雜驅動和智能變色協同功能的水凝膠“仿生章魚”示意圖；（B）“仿生章魚”在外界環境刺激下的形變-色變協同過程；（C）“仿生章魚”的可逆復原過程
課題組關于智能水凝膠復雜驅動及其與其他智能功能協同的一系列研究，為制備新型的智能水凝膠提供了新思路，推動了智能及仿生系統向更高的智能級別邁進，具有重要的科學意義和巨大的潛在應用價值。
以上工作得到了國家自然科學基金（51773215, 21774138, 21644009）、浙江省自然科學基金(LY17B040003, LY17B040004)、中科院前沿科學重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）的資助以及中科院青年創新促進會的支持（2017337）。
來源：寧波材料所
展開 軟體機械臂仿生機理、驅動及建模控制研究發展綜述
軟體機械臂在工業生產、宇航作業，助老助殘、醫療康復，微創手術，復雜環境搜索與探測等領域具有廣闊的應用前景，近年來引起國內外學者和研究機構的廣泛關注，并取得一定進展，如Festo公司的仿生象鼻機器人、圣安娜高等學校研究的仿章魚軟體機械臂、歐盟資助的“FP7 STIFF-FLOP計劃”醫療機械臂、斯坦福大學的仿植物“生長型”軟體機器人等。
章魚臂肌肉結構圖
軟體機械臂的發展涉及仿生學，軟材料科學和機器人學等學科，目前在柔性材料、機器人建模與仿真、傳感與控制、多學科交叉應用等方向也面臨諸多挑戰。哈爾濱工業大學的閆繼宏、石培沛、張新彬、趙杰在《機械工程學報》2018年15期發表的《軟體機械臂仿生機理、驅動及建模控制研究發展綜述》一文中，將從仿生原理及應用、驅動方式、變剛度方式、建模與控制等方面對軟體機械臂的近期研究現狀進行論述，探討軟體機械臂技術研究中的難點、目前存在的問題及未來可能的發展趨勢。
總結與展望
軟體機械臂是軟體機器人領域的一個重要分支，拓展了傳統機械臂的研究方向和應用領域，其研究涉及材料學、仿生、機械設計和制造、傳感器技術等多學科交叉融合。目前關于軟體機械臂的研究主要集中在近幾年，尚處于起步階段，并引起國內外諸多學者及研究機構的廣泛關注，其主要驅動方式包括流體驅動、線驅動、PAM驅動、SMA驅動和EAP驅動等；從變剛度方式上看主要有拮抗作用、阻塞及材料相變三種類型，其中阻塞方式較為容易實現但需要額外驅動機構，拮抗作用實現需要機構的冗余驅動，相變方式能實現的剛度最大，但需要額外物理場進行控制；從建模和控制上看，主要基于分段常曲率和梁理論等剛性體建模方法對軟體機械臂進行運動學及動力學建模，其模型始終不夠精確。
展開 
復旦大學梅永豐教授課題組報道新型仿生水黽的自驅動智能材料
4月14日，復旦大學材料科學系梅永豐教授課題組在《科學·機器人學》（Science Robotics）上發表題為《仿生水黽的自驅動水凝膠》（“Self-powered locomotion of a hydrogel water strider”）的研究工作。博士研究生朱紅為第一作者，梅永豐教授為通訊作者，該工作得到復旦大學高分子科學系和聚合物分子工程國家重點實驗室共享儀器平臺的大力支持。研究團隊從“0”出發，原創性地合成了一種具有動態疏水特征的新型水凝膠智能材料。該水凝膠在水面上可自驅動運動，無需額外能量供給；飽和吸水后該活性水凝膠即停止運動，干燥處理可恢復活力，再次實現自驅動快速水面運動。
圖1.水黽在水面運動的照片（A），運動機理示意圖（圖A左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（B）；活性水凝膠水黽在水面運動的照片和軌跡圖（C），運動機理示意圖（圖C左下角插圖）和它運動速率和位移隨時間的變化規律（D）；活性水凝膠水黽在有水的迷宮的水面自發找到出口的運動軌跡照片（E）；刺激響應性活性水凝膠水黽在受到pH刺激變形后靠岸行為的運動軌跡照片（F）及靠岸后的側視照片（圖F右上角插圖）。
研究團隊探索發現其運動機理和自然界的水黽在水面的運動存在共通之處。如圖1A和1C所示，都通過表面張力的差異驅動自身在水面運動；并且如圖1B和1D所示，運動速率的變化規律也非常一致。通過設計活性水凝膠材料的形狀、材料分布的非對稱性和周邊環境的表面親疏水性，研究團隊控制該活性水凝膠材料進行各種可控軌跡和定向的運動，例如模擬球類運動和走出迷宮運動（圖1E）等。
展開 北林郝翔CCS Chem：化學能驅動的非平衡態主客體仿生組裝材料
有別于傳統熱力學自組裝的方式，模擬這種化學能量驅動的耗散自組裝是真正構造仿生材料的基礎。
圖1. 化學能驅動的競爭型非平衡主客體系統策略示意圖
北京林業大學青年教師郝翔長期致力于化學能驅動的非平衡態系統材料研究，在前期相繼實現ATP能量驅動的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學能驅動的非平衡態流體的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發了一類ATP驅動的仿生“競爭”型非平衡態主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統能量分子-ATP雙重角色：化學能量單元和“耗散”型競爭客體，實現了ATP驅動的主客體非平衡態系統的建立，并成功將此策略運用于化學能驅動的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
該策略通過合成一系列仿生受體環糊精結構糖單元（β-CD），使其對能量分子ATP具有非常高的結合作用，結合常數達到106 M-1；而環糊精結構糖單元對通常的客體分子如金剛烷（ADA），其結合常數只有104 M-1。利用模型化合物實驗可以發現，當ATP分子加入到β-CD/ADA中時，ATP會迅速破壞β-CD/ADA的結合而以“鳩占鵲巢”方式占據主體的空腔，但ATP緩慢酶解后的產物如ADP或者AMP卻無法實現對β-CD/ADA結合的破壞（圖1）。
展開 鈦絲驅動應用案例（NiTiDrivetech）-仿生機器人-手
鈦絲驅動應用案例（NiTiDrivetech）
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
財哥將以往設計的一些應用案例公開分享給大家，方便大家一起學習和參考。希望大家能夠在自己的領域獲得一定的啟發和收獲。
仿生機器人
一、手的案例
1、結構設計
驅動介紹：
可以實現任意手指的萬向運動，完全模仿人手的靈活性，接觸力柔和可控，碰撞時可形變卸力，無剛性沖擊。
驅動原理：以鈦絲相變實現 “收縮 - 恢復”，連續柔順，可模擬肌肉蠕動 / 彎曲帶動手關節彎曲和伸展。
2、實物形態
覆膜一副硅膠仿真手套，就可以實現功能、外觀的仿生效果了。
3、驅動電路設計和控制
驅動原理：每個手指配置4線鈦絲驅動即可完全模仿人手的靈活性，共計20線，可以采用4*5或2*10路的矩陣掃描驅動方案，具體設計原理可以翻看財哥前面的驅動電路設計文章。
4、技術特點
材料本征驅動
通電加熱引發馬氏體→奧氏體相變，實現3%–5% 可控應變的直接收縮，無需中間傳動，從原理上簡化動力鏈。
無磨損驅動與超彈性
可承受百萬次循環無損傷，超彈特性在碰撞時可形變卸力，無剛性沖擊。
驅動與感知一體化
電阻隨相變過程實時變化，可直接作為內置位置 / 力傳感器，減少外部傳感配置，降低系統復雜度。
展開 仿生手-纜繩驅動手 v1.0 ￥8
仿生手-纜繩驅動手 v1.0
2026年1月
這是一個伺服驅動的手，由4個MG996R伺服電機控制。一根橡皮筋從指關節根部系到指甲，一根細繩繞過手指下方，連接到伺服電機，用于下拉手指。
這是1.0版本，未來還將推出多個版本。未來版本的目標是盡可能地模擬人手的所有自由度運動。
3萬㎡+ 600家企業齊聚！2026杭州人形機器人展5月啟幕，全鏈資源一站對接
特斯拉、宇樹、智元、云深處、阿童木、新劍、禾川、瑞迪智驅等行業標桿齊聚，現場將集中展示人形機器人整機成品、精密減速器、仿生關節、傳感器等核心部件，以及具身智能、腦機接口、仿生驅動等尖端技術成果，一站式呈現從核心部件到整機落地的全產業鏈解決方案，讓您直觀洞察產業演進全貌！四大核心亮點，直擊行業需求
01、全鏈硬核展示，覆蓋產業全環節
整機與前沿應用：海內外頭部整機企業集中亮相，展示最新人形機器人產品及工業、醫療、養老、物流等場景化解決方案。
關鍵硬件與核心技術：聚焦仿生驅動、具身智能、腦機接口等尖端技術，展示電機、傳感器、AI算法等核心零部件創新成果。
集成解決方案：匯聚系統集成商優質案例，一站式呈現從技術研發到規模化應用的全流程落地路徑。
02、頭部云集+政策賦能，權威資源集中釋放
600家海內外機器人上下游企業參展：涵蓋人形機器人整機研發、核心零部件制造、技術方案輸出等全產業鏈標桿。
重磅政策發布：浙江省人形機器人產業專項政策即將首次發布，明確產業發展定位、核心方向及配套支持舉措。
政企學研聯動：政府招商引資部門、產業園區、投資機構現場對接，助力項目落地與區域產業集群建設。
03、高規格主題會議，解碼產業核心命題
延續“展覽+論壇”雙輪驅動模式，5場主題會議同步召開，匯聚全球產業智慧，直擊行業痛點：
具身智能驅動產業鏈高質量發展大會：聚焦具身智能技術演進、與機器人產業融合路徑，探討如何通過技術創新賦能全產業鏈升級，破解量產落地核心難題。
人形機器人產業鏈接大會?杭州：發布省級、市級產業行動方案及場景應用需求清單，搭建供需精準對接橋梁，推動重大合作項目簽約落地。
杭州人形機器人大會：以“人形機器人賦能新型工業化” 為核心，疊加政策解讀與前沿技術沙龍，釋放強力扶持信號，推動產業規模化應用。
展開 寧波材料所陳濤研究員課題組：受豹紋變色龍皮膚啟發的智能多色熒光高分子水凝膠
.》: 開發出無束縛、可編程的“保鮮膜”軟體機器人
中科院寧波材料所陳濤研究員團隊在鐵蘭啟發的有機凝膠進行光熱空氣集水方面取得進展
中科院寧波材料所陳濤研究員課題組在仿生調控砂子用于海水淡化與凈水收集方面取得進展
中科院寧波材料所陳濤研究員團隊:在自保護、人機互動柔性織物傳感器方面取得進展
中科院寧波材料所張佳瑋研究員與陳濤研究員團隊：抗凍可拉伸有機水凝膠軟驅動器
中科院寧波材料所陳濤研究員課題組在高分子水凝膠驅動器方面取得新進展
中科院寧波材料所陳濤研究員課題組在智能熒光高分子水凝膠的材料構建及其功能協同方面取得新進展
中科院寧波材料所陳濤研究員團隊在非對稱仿生界面高分子復合材料用于太陽能海水淡化方面取得系列進展
中科院寧波材料所陳濤、張佳瑋研究員：基于動態硼酸酯鍵的水凝膠的模塊化組裝和智能形變
中科院寧波材料所陳濤研究員和張佳瑋研究員在非對稱仿生智能水凝膠驅動領域取得系列進展
中科院寧波材料所張佳瑋研究員和陳濤研究員：具有3D復雜驅動-智能變色雙功能協同的新型智能仿生水凝膠
中科院寧波材料所陳濤研究員團隊在二維非對稱超薄膜構建及其仿生應用方面取得進展
中科院寧波材料所陳濤研究員團隊在柔性可穿戴電子皮膚方面取得系列進展
中科院寧波材料所陳濤研究員課題組在非對稱高分子二維復合薄膜制備及其可穿戴傳感器應用方面取得進展
中科院寧波材料所陳濤研究員課題組系統評述：超分子形狀記憶水凝膠研究進展
中科院寧波材料所陳濤研究員和黃又舉研究員在多功能性二維非對稱油水分離膜方面取得新進展
寧波材料所陳濤研究員在生物可降解油水分離材料方面取得新進展
展開 全球人形機器人產業焦點“2026杭州國際人形機器人展”
展示內容涵蓋仿生驅動、具身智能、腦機接口等前沿技術及機器人上下游全產業鏈。
依托杭州強大產業背景，政策支持力度空前
杭州市作為國家新一代人工智能創新發展試驗區、人工智能創新應用先導區以及國家人工智能戰略布局重點城市，已形成完整的人形機器人產業鏈和創新生態。當前，杭州正積極推進"一中心一聯盟五平臺"高能級產業創新平臺建設。最新發布的《杭州市建設人工智能產業發展高地實施方案（2025年版）》部署了17條舉措和20條政策，重點發展智能制造、智能計算等新賽道，為人形機器人產業發展提供了強有力的政策支持。
四位一體展會模式，打造一站式國際交流平臺
本屆展會采用"論壇+展覽+體驗+比賽"四位一體的創新模式，打造一站式國際交流對接平臺。同期將舉辦多項重要活動，包括杭州人形機器人大會、人形機器人鏈接大會、人形機器人技術創新?投資?出海論壇、產業生態共建會、產品首發及達人秀科普活動等。
最大亮點：政府主辦產業鏈大會促合作
本屆展會的最大亮點是由政府主辦的"人形機器人產業鏈大會"，旨在搭建開放合作平臺，鏈接產業鏈上下游，促進技術、產品、資本、市場深度合作。大會將發布技術需求清單、組織重點企業路演和招商推介會，預計達成50余項合作簽約，加速人形機器人商業化落地進程。
報名通道已開啟，早鳥優惠限時開放
2026第二屆杭州國際人形機器人展依托杭州強大的AI和機器人產業基礎及政策支持，匯聚全球頂尖企業和前沿技術，通過豐富的論壇、展覽和對接活動，構建產業生態圈，推動人形機器人技術突破與商業化落地。這是行業人士不可錯過的盛會，預計將為全球人形機器人產業發展注入新動力。
展會主辦方誠邀機器人研發機構、智能制造企業、投資機構及相關從業者蒞臨參觀。
展開 
上海科技大學凌盛杰課題組：計算機輔助設計動態響應生物納米復合材料
仿生驅動器件
通過觀察所制備的三元復合膜截面，可以發現不同組分在其中呈梯度分布。由于各組分硬度、密度及相互間作用力的差異，大部分絲納米微纖/羥基磷灰石分布于材料底部，而甲殼素納米微纖更傾向于分布在頂部。自然界中，如豆莢等，可以通過梯度分布可引發動力學形變。受此啟發，研究者開發了基于絲納米微纖/羥基磷灰石/甲殼素納米微纖復合體系的濕度動態響應器件。
▲圖A，B和C，SNF/HAP：CNF (10:10)的截面掃面電鏡圖片，B為靠近底端區域；C為靠近頂端區域。D，薄膜放入水中后形態隨時間變化情況。
三元復合材料的動態響應過程
該研究的意義在于，通過計算機模擬來預測仿生材料機械性能，從而指導仿生材料結構組成的設計及優化，大量節約了時間及實驗成本。根據模擬結果，通過仿生自組裝的方式制備了具有優異機械性能的復合材料。隨后，進一步通過計算機模擬輔助計算，利用復合膜中組成成分梯度分布的特性，制備出可程序化設計的具有水驅動響應性的仿生器件。該工作通過理論模擬和實驗結合，指導新型仿生材料的合成，并啟發了相關材料功能拓展。研究報告發表于《先進材料》雜志 。
全文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.201802306
來源：高分子科學前沿
展開 高強韌響應型水凝膠及其在智能器件領域的應用
自然界中存在大量的軟驅動器，如八爪魚、水母、捕蠅草、花等生物，都通過軟驅動實現運動、捕食、繁衍等活動。受自然界啟發，人造軟驅動材料及器件，如人工肌肉、軟驅動器、軟體機器人等，近年來得到了廣泛的研究。其中，高分子水凝膠因其含大量水和出色的生物相容性，作為仿生驅動材料得到了特別的青睞。
傳統的水凝膠由于存在網絡結構不均勻、缺乏能量耗散機制等問題，導致機械性能差，從而制約了其實際應用。2000年以來，人們研究開發了大量高強度韌性水凝膠，包括雙網絡水凝膠、滑環水凝膠、納米復合水凝膠、納米顆粒增強水凝膠、膠束交聯水凝膠等。合成關鍵在于利用斷裂“犧牲鍵”來有效耗散能量，進而增強水凝膠機械性能。氫鍵、超分子識別、絡合作用、靜電作用、疏水締合等多種非共價作用均都已被用于制備高強度水凝膠。這種可逆非共價鍵不僅賦予水凝膠可恢復性和自修復特性，更有利于水凝膠的應用。
響應性水凝膠在不同環境條件刺激下，如溫度、pH、光照、磁場、電場、氧化還原、生物分子等，會發生體積或形狀變化。對水凝膠網絡結構進行靈活的化學設計或修飾，可制備多種多重響應型水凝膠。如何將響應性與增強增韌機制結合來制備高強韌響應性水凝膠，使其具備承受反復載荷作用，是水凝膠走向實際應用的關鍵環節。當將不同性質的水凝膠集成到單一器件上，或在水凝膠中構筑精確可控的性質分布，在外場的作用下，器件可發生程序化的形變或者運動。在高強韌響應型水凝膠的重要應用領域中，基于水凝膠的柔性智能器件及其驅動行為研究也是當前的研究熱點。
本專輯總結了近年來在高強韌水凝膠方面的代表性進展，增強增韌機制以及它們在智能器件領域的應用研究。
陳強等系統地論述了基于可逆非共價交聯的雙網絡水凝膠研究進展。其中，非共價作用不僅能賦予水凝膠出色的機械性能，還在水凝膠刺激響應形變方面發揮了關鍵作用。
展開 Science經典綜述鑒賞:探索構建可控制細胞行為的生物材料表面
大量的仿生驅動研究表明拓撲結構在納米尺度上變化能夠引發多種細胞行為，包括細胞粘附行為、細胞的生長取向、細胞的遷移、表面抗原呈現、細胞骨架凝結、激酶活化以及與轉錄和基因表達相關的信號通路的調節等。
圖2支架結構影響細胞的結合與擴散行為
(A-B)微孔或者微米纖維支架等具有微觀構造，促使細胞的結合與生長扁平化
(C)具有納米尺度構造的支架則具有更大的表面積吸附更多的蛋白質，從而可以暴露更多的結合位點與細胞膜上的受體結合
3.納米尺度支架的構建
為了再生組織，通常需要支架充當主體來支撐細胞的生長等行為。傳統的支架材料在宏觀層面與天然組織有著相似的力學特點。如用于骨組織再生的支架材料，其硬度必須與天然骨骼的硬度相當。而當器官中納米尺度的細節被整合到支架材料中時，可以為細胞生長和運動提供更接近自然的環境。受到天然生物聚合物如膠原的自組裝行為啟發，研究人員將聚多肽自組裝成納米尺度的纖維，這一纖維構成含有多種生物大分子的支架材料，可以顯著提高骨組織再生性能。
展開 中科院深圳先進院杜學敏研究員團隊等發展出天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略
原文鏈接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9786128/
來源：深圳先進院醫工所納米調控中心
相關進展
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