综述：太赫兹刺激激活形状记忆聚合物在下一代软机器人中的应用

　　本综述系统探讨了太赫兹（THz）刺激激活形状记忆聚合物（SMPs）在软机器人领域的应用潜力，重点分析了其热效应与非热效应机制、材料兼容性挑战（如热膨胀系数差异达100–300 × 10?6/°C）、以及纳米填料（如2–5 wt%石墨烯）和仿生设计对提升能量效率（可低至15–20 mJ/cm2）与耐久性（＞2000次循环）的解决方案，为下一代无线软机器人提供了多学科交叉的创新路径。

　　

Fundamentals of SMPs

形状记忆聚合物（SMPs）是一类能够在外界刺激（如热、光、磁场或电场）下从临时形状恢复至原始永久形状的智能材料。其核心机制依赖于聚合物内部的双相结构转变：当从玻璃态或半结晶态转变为高弹态时，分子链段的运动能力增强，从而实现形状恢复。THz辐射作为一种非电离电磁波（0.1–10 THz），可通过激发分子键振动（尤其是极性或半结晶区域）产生局部热效应，或通过非热效应（如极化与分子取向）直接诱导相变，为SMPs提供无线、精准的激活方式。

Thermal Effects

THz辐射与SMPs的相互作用主要体现为热效应：振荡电场激发分子振动，导致局部温度升高。然而，聚合物的本征THz吸收效率较低（约0.1–0.3% at 1 THz），需高功率密度（＞100 mW/cm2）才能达到驱动温度。此外，SMPs的热导率较低（约0.2–0.5 W/m·K），易导致热量积聚形成热点，并因热膨胀系数不匹配（SMPs为100–300 × 10^?6/°C，金属约为23 × 10^?6/°C）引发界面应力，限制材料耐久性（通常低于2000次循环）。

Soft Actuators

THz激活的SMPs在软执行器中展现出显著优势：通过无线远程控制，实现可编程形变与无束缚操作。例如，4D打印的SMP结构可在THz刺激下自折叠或展开，应用于人工肌肉、抓取器与可重构结构。非热效应进一步提升了响应速度与程序化能力，使机器人能模拟生物运动并适应复杂环境。但当前挑战包括能量吸收效率低、局部过热以及材料与柔性电极或金属框架的兼容性问题。

Material Compatibility

为提升THz响应性与机械稳定性，研究者开发了多种纳米复合材料：

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  添加2–5 wt%纳米二氧化硅或氧化石墨烯可增强界面稳定性与循环寿命；
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  1–3 wt%等离激元填料（如金纳米棒）可将响应时间减半并降低能量需求；
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  5 wt%氮化硼或石墨烯可将热导率提升至1.5 W/m·K，冷却速率提高35–50%；
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  双稳态设计与磁热混合系统实现局部激活，能量输入可低至15–20 mJ/cm2（总输入＜200 J/kg）。

Critical Discussion

THz激活SMPs的核心挑战集中于材料与系统级协同设计：热管理不足（低热导率与膨胀失配）导致热点与耐久性下降；功率需求高限制了便携应用；闭环控制与生物安全性仍需优化。解决方案包括梯度共挤层结构、仿生热分散设计以及人工智能驱动的实时调控系统。多学科融合（材料科学、光子学、机器人学）是推动技术实用化的关键。

Emerging Trends

未来研究方向聚焦于新材料与先进制造技术的集成：

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  纳米结构与超材料增强THz能量吸收与微宏观调控能力；
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  4D打印实现复杂结构一体化成型，应用于航空航天与生物医学设备；
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  MXene层与生物相容性水凝胶拓展穿戴式机器人场景；
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  智能热设计与系统协同优化有望解决能效与闭环控制问题，推动软机器人向高性能、高循环寿命方向发展。

Conclusion

THz激活SMPs为软机器人提供了无线、精准且生物安全的驱动方案，融合热与非热效应优势，显著提升了执行器的程序化能力与环境适应性。尽管在材料兼容性、能效与耐久性方面存在挑战，但纳米复合材料、仿生设计与多模态激活策略正逐步突破瓶颈。未来通过智能材料与系统级协同创新，THz-SMPs有望成为下一代能源高效、高循环寿命的无束缚软机器人核心技术。