研究背景

智能驱动器通常面临响应速度有限、依赖外部能源供应以及缺乏多环境信号逻辑判断能力等问题。因此，本研究提出了一种新的仿生磁能驱动器范式，通过融合磁瞬态触发与可编程环境逻辑门控策略，实现无需外部能源的高速自主响应。

自然界经过数十亿年的进化，形成了复杂的环境适应策略。例如，巫婆榛子种子荚在干燥时会收缩和分裂，内壁挤压种子，使其以12.3米/秒的最大速度弹射出去；螳螂虾通过肌肉-关节协同作用储存能量，在狩猎过程中释放瞬时动能，速度可达23米/秒。这些系统的核心在于能量储存介质与触发条件的精确耦合。

尽管仿生驱动器研究取得了显著进展，但现有技术仍面临三大瓶颈：

1. 能量释放速率受材料固有动力学限制，响应时间通常为秒级甚至分钟级
2. 能量释放高度依赖外部能源供应，限制了其在野外等无基础设施场景中的应用
3. 当前系统缺乏协同多刺激响应能力，无法像生物系统那样对温度、湿度等复合环境信号进行逻辑判断

研究内容

1. 磁能介导的瞬态触发策略

本研究选择模仿紫花地丁软驱动器作为典型案例。紫花地丁种子荚具有独特的弹射机制，依靠湿度敏感的纤维结构进行能量储存和快速释放。受其启发，本研究使用直接墨水书写（DIW）技术制备了储存磁能驱动器，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为柔性基体。

图1. 仿生磁能驱动器设计原理：a)紫花地丁种子荚从种子封装到成熟弹射的整个过程示意图；b)基于DIW墨水直写3D打印的储存磁能驱动器的制造过程和触发示意图；c)高温触发机制；d)水响应机制

2. 磁性墨水的流变特性和结构优化

磁性墨水的流变特性和结构优化是实现高精度制造和高效储存磁能的关键基础。通过系统研究NdFeB颗粒体积分数（20-35%）对墨水性能的影响，揭示了墨水的剪切变稀行为与其可打印性之间的关系。

图2. 磁性墨水的流变特性和ESU结构优化：a)基于PDMS的磁性墨水配方和DIW墨水直写3D打印过程示意图；b)NdFeB颗粒体积分数对墨水剪切变稀行为的影响；c)不同NdFeB体积分数墨水的应力-应变曲线；d)30vol%NdFeB墨水的粘弹性特性；e)四种储能单元的磁通密度分布模拟

3. 磁能介导的种子弹射机制

受紫花地丁种子荚高效弹射机制的启发，本研究设计了基于磁能吸引的储存磁能弹射驱动器。该驱动器由多个长方体状ESU拼接而成，这些单元排列在凹槽两侧，并通过底部的横向连接件连接形成一体化结构。

图3. 模仿紫花地丁种子荚的储存磁能弹射驱动器：a)非对称储存磁能驱动器结构示意图；b)驱动器展开状态和磁场分布；c)横截面磁通密度模拟；d)由温度（黄光加热，85秒响应）和湿度（模拟降雨，145秒响应）触发的选择性弹射

4. 仿生抓取驱动器

在自然界中，能量爆发系统并非植物独有，许多动物也进化出了类似的机制，青蛙舌头就是典型的例子。青蛙能够在0.07秒内通过隐藏在口腔中的折叠舌头捕获昆虫，这种舌头还能纵向折叠以固定猎物，增加与昆虫的粘附面积，并具有抓取功能。

图4. 模仿青蛙舌头的抓取驱动器：a)青蛙捕食昆虫的仿生原理示意图；b)储存磁能抓取驱动器的结构设计和 workflow；c)磁化和非磁化驱动器的轨迹比较；d)储存状态下磁通密度分布的模拟；e)在高温触发下驱动器抓取树枝的整个过程

5. 逻辑门控跳跃驱动器

澳大利亚特有的班克木具有独特的种子荚配置。种子不会自行播种，而是由一系列外部变化触发。借鉴班克木种子荚多因素判断响应的原理，本研究设计了具有自然条件逻辑响应的跳跃驱动器。

图5. 以班克木为模型的逻辑响应驱动器：a)班克木种子荚中的种子释放机制；b)驱动器"锁"结构设计和逻辑门控原理；c)储存磁能跳跃驱动器的折叠状态和弹跳工作流程；d)环境条件顺序对触发行为的影响；e)不同放置角度对跳跃轨迹的影响

研究结论

本研究提出了一种新颖的仿生磁能驱动器范式，集成了环境信号触发的瞬态响应、逻辑门控和被动能量储存。通过结合硬磁材料（NdFeB/PDMS）与响应锁定元件（相变蜡、PVP/乙醇），驱动器能够在热、湿度等自然刺激下实现快速、自主驱动。

利用DIW墨水直写3D打印和原位磁化技术，系统实现了磁化的精确控制和复杂几何结构的制造。驱动器在多种功能上表现出优异性能：

• 模仿紫花地丁种子荚的种子弹射
• 受青蛙舌头启发的目标抓取
• 类似班克木的逻辑门控跳跃

有限元模拟证实，尖锐边缘的矩形单元能够集中磁通量（0.174T），而中空环形棱镜则能实现自适应运动路径。这些创新为可部署、环境响应的软体机器人系统奠定了基础，在生态修复到自主野外部署等领域具有应用潜力。

论文信息