引言：突破传统软体驱动器的限制
传统软体驱动器往往存在输出力小、位移有限、响应速度慢等问题。为解决这些瓶颈，研究人员提出了一种全新的机械系统，通过磁铁与弹性膜之间的相互作用，既能显著放大运动，又能实现由外部刺激触发的机械记忆功能。
新型弹磁软体驱动器的提出
首尔国立大学材料科学与工程系的 Jeong-Yun Sun 教授与机械工程系的 Ho-Young Kim 教授联合带领团队，开发出一类基于“弹磁不稳定性”的软体驱动器。这一机制将磁性吸引力与弹性回复力耦合在一起，形成新的驱动模式。
相关成果以《用于放大驱动和机械记忆的弹磁不稳定性》为题，于 2026 年 1 月 10 日发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。Seong-Yu Choi 和 Ji-Sung Park 为共同第一作者，贡献相同。
生物启发：从自然界的机械不稳定性汲取灵感
软体驱动器因其柔软、安全、可大变形等特性，被广泛视为人工肌肉的候选技术。在自然界中，捕蝇草、水螅草以及手枪虾等生物，会利用机械不稳定性先储存能量，再瞬间释放，从而弥补软结构在速度和力量上的不足。
受这些生物机制启发，研究团队设计了耦合弹磁振动系统（C-EsMV）。该系统由永久磁铁、弹性膜以及电磁铁构成。当磁吸力与弹性张力达到合适平衡时，系统进入双稳态区间，可以在两个稳定的机械状态之间切换。只需极小的电输入，就能触发状态突变，将储存在弹性膜中的能量转化为幅度大、速度快的运动。
非线性阶跃响应与机械记忆
与传统电磁驱动器中“位移随电流平滑增加”的线性响应不同，C-EsMV 系统表现出明显的非线性阶跃特征。一旦被触发，放大的运动会在输入减弱后继续维持，这是由惯性引起的滞后效应所致。
这种滞后行为不仅带来持续的放大运动，还赋予系统机械记忆能力：外部刺激（例如轻触或靠近的磁铁）可以将驱动器从待机状态切换到记忆状态。根据输入方式不同，系统可以表现为易失性记忆（状态会随时间衰减）或非易失性记忆（短暂触发后持续保持放大振动，直至人工复位）。
EsMV 系统的关键特性
1. 通过弹磁不稳定性（EsMI）实现运动放大
本研究的核心在于实现弹磁不稳定性（EsMI），即在成对磁铁之间的吸引力与被拉伸弹性膜的恢复力之间建立竞争平衡。
在耦合系统中，当磁铁被拉近时，弹性膜中逐渐储存弹性能量。一旦跨越能量障碍，这部分能量会迅速释放，产生类似弹弓的快速运动。借助这一机制，在相同电输入条件下，系统可实现更大幅度的振动，其动能转换效率比未耦合的对照系统提高了三倍以上，在优化条件下整体能量转换效率最高可提升约 700 倍。
2. 在紧凑软体驱动器中放大力与位移
放大的振动不仅体现在位移上，还能转化为更大的机械功。在实验中，研究人员将锤状冲头连接到振动磁铁上，用来击打轻质球体。在相同输入条件下，耦合系统传递给球体的能量远高于非耦合系统，使球体的最大势能提升约 50 倍。
当驱动器超过激活阈值后，其冲击力会急剧增加；在接近共振条件时，这种冲击力进一步放大，甚至足以击碎薄玻璃墙。这表明，经过合理设计的不稳定性与惯性效应，软体机械系统同样可以产生强劲而快速的运动输出。
3. 可编程且节能的驱动策略
C-EsMV 系统并非单纯依赖持续增大电流，而是通过利用不稳定阈值与输入波形的设计，实现可编程、节能的驱动方式。
研究发现，采用凹形波形（如伪高斯波形）可以显著降低触发运动放大所需的输入能量。在某些条件下，相比标准正弦波，能量转换效率最高可提升约 64.4 倍。这使得该机制在空间与功率受限的场景中，尤其适合作为软体驱动器的解决方案。
4. 无需电子电路或软件控制的机械记忆
除了运动放大，C-EsMV 系统还能以纯机械方式记录外部刺激信息。短暂的机械触碰或磁触发即可将系统从低振幅状态推入高振幅的放大振动状态，并在刺激移除后维持一段时间。
系统可表现出两类记忆行为：
- 易失性记忆：放大状态会随时间逐渐衰减；
- 非易失性记忆：短暂触发即可引发持续的放大振动，直到人为重置。
研究团队还构建了一个 3×3 的机械记忆阵列，每个单元格都能记录外部刺激的时间与位置，实现空间与时间信息的机械编码。
研究意义与应用前景
本研究提出了一种全新的软体驱动器设计思路：将机械不稳定性与惯性从“需要避免的问题”转变为“可利用的功能要素”。
通过精确调控磁吸力与弹性张力之间的平衡，C-EsMV 系统在无需大幅提高电输入的前提下，实现了大幅度、离散式的响应。由于该机制依赖的是力的平衡关系，而非特定材料或几何结构，因此具有良好的可扩展性，可应用于多种软体机器人和自适应机械系统。
研究团队指出，这种方法尤其适用于需要对微小刺激做出离散响应、且对能耗和阈值可编程性有要求的场景，例如：
- 机械晶体管；
- 脉冲信号处理器；
- 集成机械记忆单元等。
通过将运动放大与机械记忆集成在同一软体平台上，该工作为未来低功耗、可编程的软体机器人和机械信息处理器提供了新的技术路径。
