The Innovation Materials | 木头变身“跳跃冠军”！仿叩甲虫的磁性木质跳跃机器人实现高频连续跳跃

当前大多数软体机器人仅能够进行二维平面运动，极大地限制了其在复杂三维环境中的应用。受到叩甲虫卓越的跳跃能力启发，我们结合磁场的精准控制与木材优异的力学性能，开发出一种能高频跳跃的软体机器人，为复杂狭小环境下的勘探提供新可能。

导  读

软体机器人因其柔软、适应性强等特点，在灾害救援、医疗微创等领域展现出巨大应用潜力。然而，现有软体机器人多局限于二维运动，难以实现在废墟、狭缝等复杂三维环境的移动。而跳跃运动成为突破这一瓶颈的关键。受叩甲虫跳跃机制启发，本研究设计了具有优异力学性能的木质跳跃机器人（J-机器人），并通过磁场的精准控制，实现了该机器人定向、连续的高频跳跃运动。本研究不仅突破了软体机器人的平面运动空间限制，更开创了用可持续天然材料制造驱动器的全新路径，为绿色机器人技术开辟了新的可能性。

图1 图文摘要

仿生设计：从木头到“跳跃者”

J-机器人设计的核心在于精准模仿叩甲虫的跳跃机理。叩甲虫通过其胸部“锁扣”结构的快速解锁，实现爆发式能量释放。我们以天然木材为基底，通过切片和化学处理，将其加工成30 μm厚的柔性薄膜。这一处理不仅在木材薄膜上保留了垂直贯通的自然孔道结构，还暴露了木材表面的大量羟基以增强磁粉与木材间的界面结合力。随后，通过磁场辅助沉积技术，将聚多巴胺修饰的NdFeB磁性颗粒（PDA@NdFeB）均匀沉积到木材骨架上，形成了具有优异磁响应性能的磁性木材薄膜。然后，利用模板辅助磁化法编程J-机器人内部磁矩，使其能在匀强磁场中呈现出“拱桥”和“U形”两种状态。通过驱动磁场方向的瞬时反转，可以实现J-机器人在这两种状态间的高速切换，从而完美复现了叩甲虫从能量储存到瞬间释放的整个生物力学过程（图2）。

图2 J-机器人的设计灵感源于叩甲虫

高效能量转换：磁-弹-动能转换一气呵成

J-机器人高效能量转换的实现依赖于三个核心要素：木材的高弹性模量确保了高能量储存密度，其多孔结构保障了形变与能量传递的高效率，可编程磁化则实现了J-机器人跳跃时能量的精准释放。

在磁场驱动下，J-机器人首先发生弯曲变形，磁势能转化为存储在木质骨架中的弹性势能。随后，磁场方向的瞬时反转在J-机器人上施加新的磁力矩，触发结构变形，促使J-机器人形态迅速由“拱桥”转变为“U形”，从而将储存的弹性势能转化为系统动能。在机器人连杆撞击地面的瞬间，连杆因受挤压进一步发生弹性形变，从而储存额外弹性势能，并最终通过地面施加的反作用力实现跳跃（图3）。整个过程在0.2 s内完成，最大跳跃高度达23.5 mm。

图3 J-机器人的跳跃机理及能量转换过程

高频连续跳跃：每分钟257次

通过改变磁场，J-机器人可实现每分钟257次的连续跳跃，展现出优异的运动性能。与现有跳跃软体机器人普遍存在的能量积累缓慢、结构复位延迟等问题相比，J-机器人能够借助每一次磁场周期性变化快速完成能量累积并再次起跳。这个能力主要得益于木质骨架的快速回弹特性与磁性颗粒的毫秒级响应能力。J-机器人的跳跃频率不仅超越了大多数已报道的软体跳跃机器人，更达到甚至超过了许多自然生物，成为需要高效率工作的实际场景应用的理想选择。

智能导航：跨越障碍、穿越迷宫

精准的智能导航能力，是J-机器人从实验室走向实际应用的必要条件。在模拟的迷宫中，它能够编程跳跃路径，从而有效规避固定障碍，直达目的地。这种“即跳即达”的移动模式，使其能够在管道内部巡检、灾难现场搜救等场景中发挥重要作用。它不仅拓展了机器人的运动空间，更为我们提供了一种在极端复杂环境下进行精准作业的全新思路和可靠工具（图4）。

图4 J-机器人的连续跳跃与智能导航

总结与展望

本研究从叩甲虫的跳跃中汲取灵感，利用木材的高弹性模量与多孔结构，构建了一个高效的能量存储与释放系统。J-机器人的卓越表现，揭示了仿生设计与绿色材料的融合不仅能激发出超越传统聚合物材料的运动性能，更为实现高性能与可持续性的统一提供了新范式。展望未来，我们将在木质结构中集成微传感器，赋予其环境感知能力，推动J-机器人从精准遥控走向智能自主，让这种可持续的机器人能真正应用于废墟搜救、管道检测等复杂三维场景。

责任编辑

田洪淼    西安交通大学

吴育杭    The Innovation

令狐昌鸿  南洋理工大学