A Foldable and Agile Soft Electromagnetic Robot for Multimodal Navigation in Confined and Unstructured Environments

📄 arXiv: 2603.28362v1 📥 PDF

作者: Zhihao Lv, Xiaoyong Zhang, Mengfan Zhang, Xiaoyu Song, Xingyue Liu, Yide Liu, Shaoxing Qu, Guoyong Mao

分类: cs.RO, cond-mat.mtrl-sci, cond-mat.soft, physics.app-ph

发布日期: 2026-03-30

💡 一句话要点

提出一种可折叠的软电磁机器人，用于狭窄非结构化环境下的多模态导航

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)

关键词: 软体机器人 电磁驱动 多模态运动 可折叠 生物医学应用

📋 核心要点

  1. 现有软体机器人在复杂、狭窄和非结构化环境中，难以实现多模态运动和灵活导航。
  2. 设计了一种基于液态金属驱动的可折叠软电磁机器人，通过控制拉普拉斯力实现多种运动模式的快速切换。
  3. 实验验证了该机器人在复杂地形下的导航能力，并展示了其在狭窄空间内运动的潜力。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种小尺寸、紧凑、可折叠且坚固的软电磁机器人（M-SEMR），它具有九种以上的运动模式，专为人体胃肠道等复杂环境设计。该机器人采用六辐弹性体结构，内部嵌入液态金属通道，并在静态磁场下通过拉普拉斯力驱动，能够在不同运动模式之间快速切换（< 0.35 秒）。它实现了卓越的灵活性，包括高速滚动（818 毫米/秒，26 BL/秒）、全向爬行、跳跃和游泳。值得注意的是，该机器人可以折叠，体积减少 79%，从而能够通过狭窄空间。我们进一步验证了其在复杂地形上的导航能力，包括离散障碍物、粘弹性明胶表面、粘性流体和模拟生物组织。该系统为开发用于未来生物医学应用的高移动性软机器人提供了一种通用的策略。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体机器人在复杂、狭窄和非结构化环境中，例如人体胃肠道，难以实现多模态运动和灵活导航。这些环境通常具有粘弹性粘液、复杂的皱襞和狭窄的括约肌，对机器人的尺寸、运动能力和适应性提出了很高的要求。现有的软体机器人通常缺乏足够的灵活性和运动模式，难以有效地在这些环境中执行任务。

核心思路：本文的核心思路是设计一种可折叠的软电磁机器人，通过控制液态金属通道中的电流，利用拉普拉斯力驱动机器人的运动。通过巧妙的结构设计和控制策略，实现多种运动模式的快速切换，并使其能够适应狭窄和复杂的环境。可折叠的设计使得机器人能够减小体积，从而通过狭窄的空间。

技术框架：该软电磁机器人（M-SEMR）主要由以下几个部分组成：1) 六辐弹性体结构：作为机器人的主体，提供结构支撑和运动的基础。2) 液态金属通道：嵌入在弹性体结构中，用于传导电流并产生拉普拉斯力。3) 电磁驱动系统：通过外部磁场和电流控制液态金属通道中的拉普拉斯力，从而驱动机器人的运动。4) 控制系统：控制电流的大小和方向，实现不同运动模式的切换。整体流程为：外部磁场产生，控制系统调节电流，液态金属通道产生拉普拉斯力，驱动机器人运动。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于：1) 可折叠的设计：使得机器人能够减小体积，从而通过狭窄的空间。2) 多模态运动：通过控制拉普拉斯力，实现多种运动模式的快速切换，包括滚动、爬行、跳跃和游泳。3) 高速运动：实现了高速滚动（818 毫米/秒，26 BL/秒）。与现有方法的本质区别在于，该机器人能够同时实现可折叠性、多模态运动和高速运动，从而更好地适应复杂和狭窄的环境。

关键设计：1) 六辐弹性体结构的设计：保证了机器人的结构稳定性和运动的灵活性。2) 液态金属通道的布局：优化了液态金属通道的布局，使得机器人能够实现多种运动模式。3) 控制策略：设计了有效的控制策略，实现了不同运动模式的快速切换。4) 折叠机制：通过巧妙的设计，使得机器人能够折叠，体积减少 79%。

📊 实验亮点

实验结果表明，该软电磁机器人具有卓越的运动性能和环境适应性。它实现了高速滚动（818 毫米/秒，26 BL/秒）、全向爬行、跳跃和游泳等多种运动模式。此外，该机器人可以折叠，体积减少 79%，从而能够通过狭窄空间。在复杂地形上的导航实验验证了其在离散障碍物、粘弹性明胶表面、粘性流体和模拟生物组织等环境下的运动能力。

🎯 应用场景

该研究成果在生物医学领域具有广阔的应用前景，例如：靶向药物递送、微创手术、体内诊断和治疗等。该软体机器人可以进入人体胃肠道等狭窄和复杂的环境，执行各种医疗任务。此外，该技术还可以应用于工业检测、环境监测等领域，为解决复杂环境下的操作问题提供新的思路。

📄 摘要（原文）

Multimodal locomotion is crucial for an animal's adaptability in unstructured wild environments. Similarly, in the human gastrointestinal tract, characterized by viscoelastic mucus, complex rugae, and narrow sphincters like the cardia, multimodal locomotion is also essential for a small-scale soft robot to conduct tasks. Here, we introduce a small-scale compact, foldable, and robust soft electromagnetic robot (M-SEMR) with more than nine locomotion modes designed for such a scenario. Featuring a six-spoke elastomer body embedded with liquid metal channels and driven by Laplace forces under a static magnetic field, the M-SEMR is capable of rapid transitions (< 0.35 s) among different locomotion modes. It achieves exceptional agility, including high-speed rolling (818 mm/s, 26 BL/s), omnidirectional crawling, jumping, and swimming. Notably, the robot can fold to reduce its volume by 79%, enabling it to traverse confined spaces. We further validate its navigation capabilities on complex terrains, including discrete obstacles, viscoelastic gelatin surfaces, viscous fluids, and simulated biological tissues. This system offers a versatile strategy for developing high-mobility soft robots for future biomedical applications.