近日，香港中文大学（深圳）理工学院朱建教授与郑庆彬教授团队在柔性高性能逻辑计算器件领域取得新进展，相关成果以“Soft reconfigurable logic gates with high-frequency electrical switching”为题发表于Science Advances期刊。

链接/DOI：

10.1126/sciadv.adx1509

一、期刊介绍

Science Advances是AAAS旗下Science系列的顶级期刊之一，是一本致力于发表高质量、创新性自然科学研究的综合性杂志。涉及领域包括物理、化学、工程科学、生物学、医学、地球科学等。该期刊最新影响因子为11.7，JCR分区为Q1。

二、研究背景

软体机器人凭借材料柔顺性与安全性在非结构化环境中展现出卓越的适应能力。尽管软执行器、传感器和能源系统已取得重大进展，目前大多数软体机器人仍采用基于刚性硅电子器件的控制方案，例如跳跃机器人、爬行机器人和水下机器人。这类方案可以为软体机器人提供快速而精准的控制，但刚性电子元件的存在会降低整体系统的适应性和柔顺性，并给机械集成带来挑战。相比之下，基于功能性软材料的控制电路能利用软材料固有的材料与结构智能来实现逻辑运算，展现出强鲁棒性、易集成性和优异的环境适应性。然而，基于流体阀门的柔性逻辑门、振荡器以及气动电路仅适用于流体驱动的执行器，对于形状记忆合金和电活性聚合物等驱动方式，仍然需要电反馈才能运行。目前，针对宏观软体机器人生成逻辑电信号的逻辑门主要有两类实现途径：一类是将控制功能直接嵌入软材料与执行器中，如机械逻辑门；另一类是直接对驱动信号进行控制。然而，这些方法普遍存在响应速度慢的问题（<5Hz），限制了机器人在复杂环境中的快速反应能力。因此，如何开发适用于电驱动的软体机器人的柔性高频控制电路是一项亟待解决的研究课题。

三、研究内容

现有基于柔性功能性材料的软体逻辑控制电路普遍存在计算速度慢和体积大的困境，限制了软体机器人对外界环境的响应速度。研究团队提出了一种基于柔性功能性材料的高频电开关。该开关由两个介电弹性体驱动器（DEAs）和一种功能性压阻材料——石墨框架（GFs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）——组成，其三维导电网络由重叠的石墨片构成。GFs/PDMS复合材料的电阻会随应变增加而升高，当应变达到临界阈值时，在极窄的应变范围内电阻骤增4个数量级，从低阻态转变为高阻态；释放应变后，电阻又能迅速恢复至初始低阻态。这种特性结合DEAs的快速驱动能力，使柔性电开关具备三大优势：（i）极高的电阻开关比（超过10^⁷Ω）；（ii）极短的开关时间（<2ms）；（iii）优异的可靠性（超过100万次的高频寿命测试）（图1）。因此，基于柔性电开关的逻辑门将信号处理速度提高至100Hz，相比于现有方案提升了超一个数量级。

图1 柔性高频电开关构成及性能

研究团队通过SEM表征揭示了GFs/PDMS的内部层叠结构以及在不同拉伸程度下的电阻变化。通过拉伸测试验证了GFs/PDMS可以在2毫秒范围内实现高低电阻状态的切换，且进行了超过1万次的拉伸循环测试。超高的灵敏度与可靠性使得GFs/PDMS与DEAs的组合充分发挥了两者在响应速度方面的优势——利用DEA在电信号刺激下的快速变形能力实现GFs/PDMS的状态切换，从而赋予柔性开关超快的响应能力（图2）。

图2 压阻材料及柔性电开关表征

基于低延迟的柔性开关，研究团队提出了具备高频计算能力的柔性逻辑非门（图3）。在频率响应测试中，非门在四种不同频率的输入信号（0.1Hz，1Hz，10Hz及100Hz）下表现优异。且在100Hz方波信号刺激下，非门以小于2ms的超低延迟实现功能计算。100Hz下超过一百万次的寿命测试和低温（-13℃）下的频率响应测试进一步证明了该柔性器件的可靠性和鲁棒性。

图3 高频柔性逻辑非门

基于多个高频开关模块的不同组合，研究人员实现了100Hz下高频计算的柔性或非门及与非门（图4）。（更多基本逻辑模块见论文原文补充材料部分。）此外，组合逻辑电路，如半加器和全加器进一步验证了高频柔性开关的可重构性。

图4 高频计算的柔性或非门及与非门

柔性振荡器由奇数个非门构成，可以基于恒定输入信号产生周期性的输出信号，使软体机器人的自主运动不再依赖刚性电子器件。研究人员基于单个非门的自反馈控制实现了一个可大范围调节自振荡频率的柔性振荡器。通过调控输入电压、充放电回路电阻阻值及驱动器面积，可有效实现介电弹性体驱动器在大约1-78Hz范围内的变频震动。相较于现有可输出电信号的振荡器而言，该工作无论在体积还是工作频率上都表现优异（图5）。该设计不仅是一个面向软体机器人的柔性控制器，其自身还可视作一个“智能”驱动器，有望使软体机器人结构更简单，同时具备更强的柔顺性、智能性和自主性。

图5 基于单个非门自反馈控制的柔性振荡器

四、研究结论

团队开发了一种高灵敏度的压阻材料（GFs/PDMS），可在2ms内实现低阻态与高阻态之间的状态切换。基于这一特性，团队提出一种高频柔性电开关，能够在高速介电弹性体驱动器（DEAs）触发下表现出极快的开关行为。基于柔性开关的可重构性，基本的柔性逻辑门均能在高频（100Hz）下稳定工作。这些逻辑门为构建更复杂的信号处理模块奠定基础，从而赋予软体机器人快速计算、操作与控制的能力。此外，研究人员还展示了一种仅由单个非门构成的软体振荡器。借助电压信号的自反馈机制，该驱动器可在直流信号控制下实现自激振荡，为软体机器人的自主、高速运动提供了范式。

五、作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院朱建教授和郑庆彬教授，第一作者为香港中文大学（深圳）理工学院计算机与信息工程专业在读博士生许逸群，共同第一作者为德国莱布尼兹研究所张飞博士。

通讯作者：朱建教授

朱建博士是香港中文大学（深圳）理工学院副教授，兼职任深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）研究员。在此之前，他在新加坡国立大学任职助理教授。其于2008年在加拿大阿尔伯塔大学获得博士学位，并获得了加拿大NSERC（Natural Science and Engineering Research Council of Canada）博士后奖学金。朱建博士随后在哈佛大学从事博士后，研究方向是人工肌肉的力学分析。朱建博士是IEEE Robotics and Automation Letters的副编辑（Associate Editor），IEEE Transactions on Industrial Electronics的客座编辑（Guest Editor），SPIE EAPAD（Electroactive Polymer Actuators and Devices）conference 的大会委员会委员。他的研究兴趣在于软体智能机器人，仿生机器人，及智能材料和结构。朱建博士2022-2024年连续入选了“全球前2%顶尖科学家榜单”“年度科学影响力排行榜”和“终身科学影响力排行榜” （斯坦福大学根据Elsevier数据发布）。他的Google引用数是6347，H-index是42（截止2025年7月）。朱建博士团队获得了“2023龙岗区创新创业大赛”一等奖（高端装备制造）。其关于软体驱动器的工作被评为《中国科学：技术科学》2021高影响力论文。

通讯作者：郑庆彬教授

郑庆彬，香港中文大学（深圳）理工学院副教授，博士生导师，国家高层次人才计划入选者，校长青年学者，德国洪堡学者，香港科技大学机械工程学博士。郑教授曾任德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”，香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授及香港科技大学高等研究院“青年学人”，主持国家人才项目，国家自然科学基金，广东省自然科学基金，深圳市自然科学基金，香港研究资助局优配研究金，德国洪堡基金等项目，获得香港中文大学（深圳）理工学院卓越科研奖，斯坦福大学前2%科学家，Research.com全球顶尖材料科学家等荣誉。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications、Science Advances、Carbon等本领域顶级期刊发表文章110余篇，论文总计被引用13,700余次，H-index为58。

第一作者：许逸群

许逸群，香港中文大学（深圳）理工学院计算机与信息工程专业在读博士生，深圳市人工智能与机器人研究院医疗机器人中心研究助理。主要研究方向为柔性功能性材料，介电弹性体驱动器及软体机器人。

第五作者：许志鹏

许志鹏，香港中文大学（深圳）理工学院计算机与信息工程专业在读博士生。目前主要从事介电弹性体、软体医疗机器人等研究。

供稿 | 朱建教授团队