Advanced Robotics Research

软骨骼机器人系统结合了两种不同力学性能的材料：高模量链式骨架（有效模量3 GPa）作为“骨骼”材料，柔软且高形变的织物层作为“皮肤”材料。软骨骼机器人的有效刚度并不仅仅由材料特性决定，而主要受链式结构的几何构型支配。此外，高模量骨架材料为链式结构在外部载荷下的几何稳定性提供了基础。通过利用链式骨架的变刚度特性和机器人结构的形状重构，该机器人在充气过程中引发链条扭转，形成几何自约束机制，从而增强链式骨架的刚度。

软骨骼机器人的概念与设计

为克服针织面料驱动器在能量效率和运动控制方面的局限，该研究采用氨纶包芯纱和涤纶纱线，利用双针床横机（v-bed knitting machine）构建了带有衬纬纱的三层针织结构（图2a）。氨纶包芯纱通过交织形成基础纬平针线圈结构，而PET纱线作为嵌入纱（衬纬纱）（图2b），采用织物衬垫组织结构（图2c）与线圈交织，以限制径向膨胀并增强轴向伸长。这种组合形成了具有各向异性力学性能的三层针织结构。由于软体织物机器人的结构基于针织架构进行编程设计，因此可以选择高性能纱线来制造能够在复杂环境中工作的机器人。

柔性织物层的制备与表征

增强型软骨骼机器人成功举起了不同质量的真实物体，例如装有水或内置重物的塑料杯（280g和245g），以及一个120g的玻璃花瓶，且未造成任何损坏，展示了其执行多样化操作任务的能力。完美适配精密装配、物流分拣、康复器械等场景，为下一代柔性机器人提供核心技术方案。

Separation and Purification Technology

工业化导致大量含染料废水排放（如亚甲基蓝 MB），这些染料化学性质稳定、难降解，对环境和健康危害极大。

现有技术的痛点：

粉末状氧化铝： 虽然吸附能力强，但是像面粉一样撒在水里，很难捞出来，回收成本高，容易造成二次污染。

纯氧化铝纤维： 虽然容易分离，但质地脆、比表面积小、吸附位点少，吸附性能不如粉末。

研究目标： 想要结合两者的优点——既有粉末的高吸附性，又有纤维的易回收性和机械强度。

该研究使用同轴静电溶液喷射纺丝（Coaxial Electro-Blown Spinning, EBS）技术，配合氮气保护的程序升温技术，通过PTFE在高温下分解挥发，作为硬模板造孔，形成了丰富的微孔和介孔结构。制造出了多孔氧化铝-碳复合纤维（PACF）。壳层采用氧化铝前驱体凝胶配合造孔剂（PTFE）。壳层最终形成具有丰富介孔的氧化铝表面，提供吸附位点。芯层采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶液配合PTFE。PVP在惰性气氛下碳化形成连续的多孔碳网络。内部的碳网络充当“柔性骨架”，显著增强了纤维的机械完整性和柔韧性，解决了氧化铝纤维易碎的问题。

静电溶液喷射纺丝（EBS）设备：

（a）前驱体多孔氧化铝-碳复合纤维（Pre-PACF）的制备，(b) 纺丝组件

由于分级孔结构降低了传质阻力，PACF-800表现出极快的吸附速率，在2.5分钟内即可去除99%的MB，远超传统吸附材料。高吸附容量： 经过等温线模型拟合，其最大吸附容量达到 248.1 mg/g。优异的循环稳定性： 由于纤维状形态，材料可通过简单的过滤回收。经过5次“吸附-乙醇洗脱-再吸附”循环后，去除效率仍保持在 95.5% 以上，证明了其极高的可重复使用性。

(a) 不同参数的PACFs对MB的吸附效率；(b) PACF-800的MB去除效率与循环次数的关系；(c) PACF-800在不同吸附时间与不同初始MB浓度下的吸附效率

该方法解决了吸附材料“吸附量大但难回收”与“易回收但吸附差”之间的矛盾。提出了一种制备无机-有机复合纤维的高效方法（同轴EBS）。揭示了碳骨架对氧化铝纤维的增韧机制及分级孔结构的形成机理。验证了该材料在水处理领域作为高效、可循环吸附剂的巨大潜力。为印染、化工等行业提供低成本、易回收、高效率的废水处理方案，助力绿色低碳发展。