英文题目：Arc-heating actuated active-morphing insect robots

中文题目： 电弧加热驱动的主动变形昆虫机器人

作者：Jingyu Che, Xiangyu Yang, Jinzhe Peng, Jingyi Li, Zhiwei Liu, Mingjing Qi（通讯）

作者单位： 北京理工大学

期刊：Nature Communications（IF 15.7中科院一区，JCR一区）

发表时间：2025年3月27日

链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58258-8

引文格式：Che J, Yang X, Peng J, et al. Arc-heating actuated active-morphing insect robots[J]. Nature Communications, 2025, 16: 2975.

把机器人做小不难，做快也不难，但要让一个毫米级的机器人既能飞快奔跑，又能主动变形钻缝，被踩扁了还能自己复原——这就有点意思了。

北理工这个工作做到了。他们做了一个5毫米长、10毫克重的微型机器人，核心驱动方式挺特别：用电弧加热空气，让薄膜腔体膨胀收缩，像心脏一样跳动。在这个基础上，他们把形状记忆合金做成机器人的“骨架”，利用电弧产生的热量触发骨架变形，实现了主动压扁自己钻窄缝、展开浮板变两栖模式的能力。

更狠的是自恢复：用500克砝码（自重5万倍）压扁，几秒钟恢复如初；成年人一脚踩上去（500万倍自重），松开脚照样爬走。

速度也不含糊：最高跑到83.4倍体长每秒，在同等大小的微型机器人里算第一梯队，跟真实昆虫有一拼。

核心亮点：

- ✅ 极致微小：5毫米长，10毫克重，比蚂蚁还轻

- ✅ 驱动变形一体化：电弧加热同时提供动力和变形能量

- ✅ 主动变形：可压扁33%钻缝，可展开浮板变两栖

- ✅ 自恢复：被500万倍自重压扁，松开后数秒复原

- ✅ 速度惊人：83.4倍体长/秒，同尺寸机器人顶级水平

🤖 机器人设计：电弧加热器+形状记忆合金骨架

图1A-B展示了机器人的结构：核心是一个电弧加热（AH） actuator，用聚酰亚胺薄膜做的内外两个腔体，中间有电极。加上四根镍钛诺超弹性丝做的腿，还有嵌入在腔体中间的镍钛诺形状记忆合金环——这就是机器人的“骨架”。

图1C是驱动原理：在电极上施加千伏级脉冲电压，空气被击穿产生电弧，瞬间加热腔体内的空气。气体膨胀，推动内外腔体相对运动，就像心脏跳动一下。放电结束，弹簧把腔体拉回原位，完成一个周期。频率一高，机器人就跑起来了。

图1D是变形原理：形状记忆合金有个特性——低温时可以随便捏，加热到一定温度（奥氏体转变温度）就会“记起”原来的形状。电弧加热正好提供了这个热量。想让它变形，就加大脉冲参数，温度上来，骨架一收，机器人就压扁了。

Figure 1：机器人结构图和驱动原理

🦟 主动变形：学蟑螂钻缝，学水黾变船

图1E-F是主动变形的展示：左边是蟑螂钻缝，右边是机器人钻缝。机器人正常高度是h，触发变形后，高度缩了三分之一，2.2秒钻进缝隙。这个功能是靠预先把形状记忆合金训练成扁椭圆形，需要变形时加热它就“记起”扁形状。

图2 用于适应水生和陆地环境的两栖配置。两栖机器人及其主动变形过程的示意图。两栖机器人在原型的基础上进行了改进，加入了浮板和鳍状肢。 B 水环境中鳍状肢采用的差动推进机制。 C 光学图像显示浮板在进入水中之前在陆地环境中 3.2 秒内展开。 D 机器人在水生环境中以 2 BL/s 相对速度移动的性能。 E Robot在模拟陆地-水生环境中的穿越。最初，机器人以爬行步态前进。当遇到水体时，它会启动主动变形过程，一旦浮力板展开，它就可以过渡到水中并开始游泳。包含向下的斜坡是为了模仿容易遭受涝灾的低洼地区。

图2是两栖版本的变形过程。他们在机器人身上加了一块浮板（橙色）和四个蹼足（灰色）。平时浮板是收起来的（图2C左），需要下水时，加大脉冲参数加热，形状记忆合金骨架展开浮板（图2C右），3.2秒完成变形。图2D显示它在水里能跑到2倍体长每秒。图2E是个连贯场景：陆地上爬，遇到水坑展开浮板，下水继续游。

Movie 9：两栖模式完整流程

⚡ 电弧加热器的特性：温度、振幅、效率

图3A是COMSOL仿真的放电温度分布，电极间最高温度538 K。图3B是红外热像仪实测，核心温度548 K，和仿真对得上。

图3C是不同电极距离和电压下的振幅测试。1.2毫米间隙+6500伏，振幅最大。

图3D是实测位移和理论模型的对比，趋势一致。基于这个模型算出驱动效率29.14%。

图3 AH 执行器和机器人中的电弧放电、振动和恢复特性。 A 电极放电过程中的模拟空间温度分布，使用 COMSOL 6.0 进行计算，电极距离为 1.2 mm，电压为 6500 V。 B 执行器在运行过程中的热红外成像，保持与模拟相同的电极距离和电压。使用红外温度计 (FLUKE TIS60+) 测量，AH 执行器的核心温度达到 548 K。 C 不同电极距离和电压下执行器相对振幅的实验数据图。D 执行器输出位移的理论（粗虚线）和实验（细灰线）结果比较，粗实线代表多个实验的平均值。 E 光学图像捕捉机器人在一个驱动周期内的爬行和向前运动 (Δx)，工作条件为 6500 V，脉冲宽度为 200 ns。 F 运动过程中由于外力 (F) 造成损坏后恢复过程的顺序：初始速度 (v1)、恢复后速度 (v2) 和恢复时间 (Δt)。包括执行器被相当于其重量 (200 g) 20,000 倍的力挤压后在 1.75 秒内恢复的光学图像。 G 从 50,000 倍其重量（500 克）的力造成的损坏中恢复后，机器人仍能保持性能。 H 500 g 重量损坏机器人后的恢复时间与输入脉冲频率和宽度的函数关系。在 50 Hz–100 ns 输入参数下未观察到恢复，所有测试均在 6500 V 电压下进行。误差线表示三个试验的标准偏差。I 不同重量（50 g、500 g、50 kg）损坏后的恢复时间和速度衰减比。速度衰减比定义为恢复后速度相对于损坏前速度，在 6500 V 恒定电压下测量。误差条表示三个试验的标准偏差。

🏃 运动性能：两种步态，83倍体长每秒

图4A展示了速度和脉冲参数的关系。脉宽低于300纳秒，是爬行步态；高于400纳秒，变成跳跃步态——垂直方向的力超过了自重，脚离地了。最高速度83.4倍体长每秒。

图4B是同类微型机器人和昆虫的对比图（数据来自几十篇文献）。红菱形是本文的机器人，落在昆虫分布区（绿色阴影）的下沿，说明速度确实达到了生物水平。

图4C是不同粗糙度表面的速度测试：玻璃（摩擦系数0.3）最快，木头（0.8）最慢。跳跃步态比爬行快，因为离地后滑动摩擦少了。

图4 各种条件下的运动性能测试和速度比较。爬行和弹跳步态的速度与输入脉冲频率/宽度之间的关系。实线代表爬行步态数据，而虚线代表在环氧树脂表面测试的弹跳步态数据。误差线表示五次试验的标准偏差。 B 不同类别的速度与体重的比较分析：节肢动物（绿色阴影）、昆虫机器人（10 克以下）。红色钻石代表这项研究的结果。C 不同表面上爬行和弹跳步态的速度测量。误差线表示三个试验的标准偏差。 D 光学图像展示了机器人使用弹跳步态在 1.2 秒内克服障碍。E 说明机器人即使在遭受刺穿损坏后仍能持续快速向前移动。图3D展示越障能力：1.2秒翻过1.5毫米高的障碍（腿长的167%）。图3E更有意思：用针刺穿腔体，机器人照样跑，轨迹都不带歪的。因为泄漏速度赶不上空气膨胀速度，瞬时压力还在。

💪 自恢复：被踩扁了，几秒钟复原

图3F是一串连续图像：机器人正跑着，被200克砝码（自重2万倍）压住，压扁了；1.75秒后，自己恢复原状，继续跑。

图3G更狠：500克砝码（5万倍自重）压完，恢复后速度几乎没掉。

图3H是恢复时间与脉冲参数的关系：脉宽越大、频率越高，恢复越快。100纳秒+50赫兹时，能量不够，恢复不了。

图3I是三种负载下的恢复时间和速度衰减比：50克、500克、52公斤（成年人踩上去，500万倍自重）。恢复时间随负载增加而变长，但速度衰减比基本维持在1.0——意思就是，恢复之后跑得和原来一样快。

03 创新点

① 驱动与变形的一体化设计

大多数可变形的机器人，驱动和变形是两套系统——电机管动，形状记忆合金管变。这个工作的巧妙之处在于：电弧加热同时提供动能和热能。一次放电，既让腔体膨胀推动机器人前进，又让形状记忆合金受热触发变形。没有多余结构，没有额外能耗。

② 电弧加热驱动在毫米尺度的极致利用

电弧加热不是什么新技术，但用在毫米级机器人上很少见。关键原因是：这个尺度的能量需求和电弧的输出刚好匹配。传统内燃机或爆炸驱动在这个尺度做不了（燃料储存、燃烧控制太难），电机和减速器又太重。电弧加热直接在腔体里放电，结构简单，能量密度高，刚好适合毫米级。

③ 主动变形的编程能力

通过训练形状记忆合金的不同形状（圆环、扁椭圆、浮板骨架），可以预设多种变形模式。而且变形与否、变形速度，都可以通过脉冲参数控制（图3H）。这意味着机器人可以按需变形——需要钻缝就压扁，需要下水就展开，平时保持原状不影响运动。

④ 极端的自恢复能力

500万倍自重的负载压扁后恢复如初，这个数据很夸张。靠的是形状记忆合金的单向记忆效应：不管怎么压扁，只要温度超过转变点，它就“记起”训练时的形状。而且恢复后性能不衰减（图3I的速度衰减比≈1），说明材料抗疲劳性不错。

⑤ 速度与功能的平衡

83.4倍体长每秒的速度，在同尺寸机器人里是第一梯队（图4B）。更难的是，在保持这个速度的同时，还集成了主动变形和自恢复功能。很多机器人为了加功能牺牲速度，这个工作没走那条路。

这个工作给人的感觉是：把两个已有的技术——电弧加热驱动和形状记忆合金——用一种很巧妙的方式结合在一起。不是简单的1+1，而是让电弧的热量同时为两个系统服务，实现了驱动和变形的耦合。

从工程角度看，这种设计的价值在于：用最简单的结构（薄膜腔体+合金丝）实现了最复杂的功能（快速运动+主动变形+自恢复）。没有传感器、没有控制器、没有反馈，纯靠物理和材料特性。对于毫米级机器人来说，这种“减法”思路很重要——因为没地方放那些复杂的电子系统。

未来研究将聚焦于以下几个方向：

🔸 转向能力：现在的机器人只能直走。如果能在电极布局、腔体形状、或者腿的设计上做文章，实现可控转向，应用场景会大很多。

🔸 无缆化：目前还是拖着细电线跑的。要实现真正的自主，需要集成微电池或无线能量接收（激光、射频）。难点在于重量——现有电池对10毫克级的机器人来说太重了。可能需要外部供能，或者让大机器人带小机器人到任务区。

🔸 双向形状记忆：现在用的是单向记忆——加热变形后，冷却不会自动回去。如果能用双向记忆材料，可以实现可逆变形（比如浮板展开后能自动收回去），重用性更好。

🔸 更复杂的变形模式：目前实现了压扁和展开两种。理论上可以通过训练多段合金丝，实现更复杂的形变（比如弯曲、扭转），适应更多场景。

🔸 耐久性优化：虽然自恢复能力强，但电弧放电和合金丝反复热循环会不会导致材料疲劳？长期可靠性需要更多测试。

🔸 集群应用：如果成本能降下来，这种小东西可以撒一把出去，在地震废墟、管道、丛林里协同探索。5毫米的尺寸，比蟑螂还小，能去人去不了的地方。

从“被踩扁还能爬起来”这个点，可以看出这个机器人的韧性。下一步，是让它在更复杂的环境里，也能这么抗造。