内布拉斯加大学林肯分校的工程团队在开发模拟人类和植物皮肤检测和自我修复损伤能力的软机器人和可穿戴系统方面又迈进了一步。

工程师 Eric Markvicka 与研究生 Ethan Krings 和 Patrick McManigal 最近在佐治亚州亚特兰大举行的 IEEE 机器人与自动化国际会议上发表了一篇论文，该论文提出了一种软机器人技术的系统级方法，该方法可以识别穿刺或极端压力造成的损伤，精确定位其位置并自主启动自我修复。

该论文是 1,606 篇投稿中的 39 篇之一，入围 ICRA 2025 年最佳论文奖决赛。它也是最佳学生论文奖以及机制和设计类别的决赛入围者。

该团队的策略可能有助于克服在开发引入自然灵感设计原则的软机器人系统时存在的问题。

“在我们的社区中，使用软材料复制传统刚性系统的巨大推动力，以及向仿生学的巨大运动，”生物医学工程助理教授 Robert F. 和 Myrna L. Krohn 的 Markvicka 说。“虽然我们已经能够制造出柔软且保形的可拉伸电子设备和致动器，但它们通常不会在响应损伤然后启动自我修复的能力方面模仿生物学。”

为了填补这一空白，他的团队开发了一种智能的、自我修复的人造肌有多层架构，使系统能够识别和定位损伤，然后启动自我修复机制——所有这些都无需外部干预。

“人体和动物都很棒。我们可能会被割伤和瘀伤，并受到一些相当严重的伤害。在大多数情况下，通过绷带和药物的外部应用非常有限，我们能够自我修复很多东西，”Markvicka 说。“如果我们能在合成系统中复制它，那将真正改变这个领域以及我们对电子和机器的看法。”

该团队的“肌肉”或执行器，即机器人将能量转化为物理运动的部分，有三层。最底层是损伤检测层，是由嵌入有机硅弹性体中的液态金属微滴组成的软电子皮肤。该皮肤粘附在中间层，即自我修复成分，这是一种坚硬的热塑性弹性体。顶部是驱动层，当用水加压时，它会启动肌肉的运动。

为了开始这个过程，该团队在肌肉的底部“皮肤”上感应出五次监测电流，该皮肤连接到微控制器和传感电路。该层的穿刺或压力损伤会触发走线之间形成电网。系统将这种电气足迹识别为损坏的证据，并随后增加流经新形成的电网的电流。

这使得该网络能够充当局部焦耳加热器，将电流的能量转化为损伤区域周围的热量。几分钟后，这些热量会融化并重新加工中间的热塑性层，从而密封损伤——有效地自我修复伤口。

最后一步是通过擦除底层的损坏电足迹，将系统重置回其原始状态。为此，Markvicka 的团队正在利用电迁移的影响，电迁移是电流导致金属原子迁移的过程。传统上，这种现象被视为金属电路中的障碍，因为移动的原子会变形并在电路材料中产生间隙，从而导致器件故障和破损。

在一项重大创新中，研究人员正在使用电迁移来解决一个长期困扰他们创建自主、自我修复系统的努力的问题：底层损伤诱导的电网似乎是永久性的。如果无法重置基线监测痕迹，系统就无法完成多个损坏和修复周期。

研究人员发现，电迁移（具有物理分离金属离子和触发开路故障的能力）可能是擦除新形成的痕迹的关键。该策略奏效了：通过进一步提高电流，该团队可以诱导电迁移和热故障机制，从而重置损伤检测网络。

“电迁移通常被视为一个巨大的负面影响，”Markvicka 说。“这是阻止电子产品小型化的瓶颈之一。我们在这里以一种独特且非常积极的方式使用它。我们没有试图阻止它发生，而是第一次利用它来消除我们过去认为是永久性的痕迹。

自主自愈技术有可能彻底改变许多行业。在内布拉斯加州等农业州，它可能是机器人系统的福音，因为机器人系统经常遇到树枝、荆棘、塑料和玻璃等尖锐物体。它还可能彻底改变必须承受日常磨损的可穿戴健康监测设备。

该技术还将更广泛地造福社会。大多数消费类电子产品的使用寿命只有一两年，每年造成数十亿磅的电子垃圾。这些废物含有铅和汞等毒素，威胁着人类和环境健康。自我修复技术可以帮助阻止这一趋势。

“如果我们能够开始创造能够通过和自主检测何时发生损坏的材料，然后启动这些自我修复机制，那将真正具有变革性，”Markvicka 说。