基于液晶弹性体的电控双稳振荡器

能自我运动的机器

许多维持工厂、医院和实验室运行的机器依赖电动机和电子设备，以稳定的节律来回运动。但在强磁场环境、深海或甚至人体内部，这类电子设备可能变得笨重、不可靠或不安全。本研究介绍了一种由柔软、有弹性的材料制成的新型自驱动“心脏”，它仅靠一节简单电池即可自发振荡，为在传统电机难以应用之处实现更智能、更耐用的装置打开了可能性。

有两个静止位的软发动机

工作的核心是一个小型机械装置，称为双稳振荡器，它有两个首选的静止位置而非一个。作者围绕一个中心摆杆构建该装置，摆杆由两根预弯的塑料梁支撑，就像微型跷跷板夹在柔性弹簧之间。在摆杆的两侧各附有一条特殊材料——液晶弹性体条带，它有点像人工肌肉：受电加热时收缩，冷却时放松并变长。下方的滑动触点充当纯机械开关，决定当前哪一侧通电。将这些部件组合在一起，形成一个闭环，运动和加热不断相互驱动，无需任何数字控制器。

软肌肉如何驱动构件“咔嗒”作动

当一侧的液晶条在低且恒定的电压下被加热时，它会缓慢收缩并把摆杆拉向该侧。随着摆杆倾斜，预弯梁弯曲并存储弹性能量，类似于给弹簧上紧。一旦达到临界角，梁会突然发生构型翻转，释放其储存的能量，以快速、有力的动作将摆杆翻到另一稳定位置。这个快速变化同时移动滑动触点，使第一侧断电并将电源转到另一侧。这个过程随后反向重复：新通电的条带加热收缩，在梁中积累能量，并触发下一次翻转。这样，恒定的直流输入被自动转换为往复运动和脉动电信号，完全由装置本身的机械特性控制。

调节强度、速度与耐久性

研究者仔细测试了人工肌肉和支撑结构的表现。通过改变驱动电压，他们表明液晶条带可提供大幅且可逆的收缩与力，足以可靠触发翻转而不损伤梁。计算机仿真帮助他们选择合适的预弯塑料梁的长度、厚度和刚度，以确保装置有两个稳定状态且两者之间存在明确的能量势垒。实验显示，振荡器在多次循环中能保持摆角和周期，仅有轻微变化，表现出良好的耐久性。他们还绘制了电压与薄膜厚度如何控制加热和冷却时间的关系：较高电压和较厚薄膜会缩短加热阶段，而冷却相对较慢，最终限制最大振动频率。这些认识为调节振荡器运动速度与强度提供了设计准则。

从机器人鱼到自分拣装置

为展示这种软发动机的能力，团队制造了一条小型机器人鱼，由振荡器驱动柔性尾部。3D 打印机身内置的一节微小电池提供恒定电力，而翻转机制将缓慢的加热转化为水中尖锐的尾部摆动。视频分析显示，鱼的推进呈阶梯式：在能量积累时长时间停顿，随后尾部翻转时产生突发运动。接着，研究者将两个振荡器连接，使它们通过巧妙的机械开关和线路排列交替镜像式翻转。最后，他们在一块带孔的圆盘下方装配了三个振荡器，圆盘上放置两种尺寸混合的小球。相位错开的振动把较小的球引导通过孔洞，而较大的球则留在盘上，从而实现无需传感器或微芯片的自动按尺寸分拣。

为何这对未来智能设备重要

这项工作表明，可以构建紧凑、低电压且高度协同的机械系统，让结构本身而非电子来“思考”。通过将柔软的人工肌肉与巧妙成形的梁和简单的滑动触点结合，作者创造了一个高效储放与释放能量、抗电磁干扰且可串联用于复杂任务（如游动与分拣）的振荡器。通俗地说，他们展示了一种利用几何形状和材料属性，使机器自我运动与协调的新方法。这类机械智能系统未来可为软体机器人、医疗工具和必须在传统电机与控制电路无法安全可靠工作的场所运行的工业设备提供动力。

引用: Liu, H., Yan, B., Zhou, R. et al. An electrically controlled bistable oscillator based on liquid crystal elastomer. npj Soft Matter 2, 10 (2026). https://doi.org/10.1038/s44431-026-00026-9

关键词: 软体机器人, 人工肌肉, 机械振荡器, 液晶弹性体, 无电子控制