讓機(jī)器人改變形態(tài)并不難，讓它快速運(yùn)動(dòng)也不難；真正困難的是，在厘米尺度機(jī)器人中同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形態(tài)重構(gòu)與快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

近期，清華大學(xué)張一慧教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種人工肌骨致動(dòng)器，通過(guò)將可形態(tài)重構(gòu)的骨骼模塊與快響應(yīng)變剛度的肌肉模塊串聯(lián)集成，在厘米尺度上實(shí)現(xiàn)了形態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性的獨(dú)立調(diào)控。

【資料圖】

團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可模仿啄木鳥(niǎo)、蝎子等生物行為的致動(dòng)器，并研制出可在四足與人形狀態(tài)間切換的微型變體機(jī)器人（1.8 g），以及兼具地面行進(jìn)、負(fù)載搬運(yùn)、水面巡游和空中滑翔能力的仿蜜袋鼯無(wú)線微型機(jī)器人（6.4 g）。

（來(lái)源：受訪者）

該項(xiàng)研究中的肌骨致動(dòng)器應(yīng)用前景廣闊，未來(lái)可用于 VR/AR 領(lǐng)域，構(gòu)建層級(jí)更豐富、真實(shí)度更高的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)。自研的小型高壓電路模塊，也適配所有需要高壓激勵(lì)的體系，例如靜電驅(qū)動(dòng)、HASEL 致動(dòng)器等。

這款無(wú)線機(jī)器人更適合傳統(tǒng)機(jī)器人難以抵達(dá)、且任務(wù)環(huán)境多變的作業(yè)場(chǎng)景。例如，它可以先以緊湊構(gòu)型通過(guò)狹窄空間，抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域后展開(kāi)外形，切換爬行、掛載物資、滑翔降落等不同作業(yè)模式，兼容陸地、液面、空中多介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。

此外，其潛在應(yīng)用還包括復(fù)雜管道和狹窄空間巡檢、災(zāi)后環(huán)境探測(cè)、跨介質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及需要低占用空間的集群機(jī)器人系統(tǒng)。

近日，相關(guān)論文以《形態(tài)可編程、動(dòng)力學(xué)可調(diào)的肌骨致動(dòng)器》（Musculoskeletal actuators with programmable morphology and tunable dynamics）為題發(fā)表在 Science Advances[1]。清華大學(xué)徐世威博士（現(xiàn)美國(guó)西北大學(xué)博士后）是第一作者，張一慧教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）

從生物骨骼肌肉汲取靈感：協(xié)調(diào)形態(tài)重構(gòu)與動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)

研究團(tuán)隊(duì)受生物肌肉骨骼系統(tǒng)的功能分工啟發(fā)，研發(fā)出輕質(zhì)、形態(tài)可編程且動(dòng)力學(xué)可調(diào)的薄膜形肌骨致動(dòng)器。在具體實(shí)現(xiàn)中，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了多種動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式。他們并不是簡(jiǎn)單復(fù)制這些動(dòng)物的外形，而是抽象它們共同的底層行為邏輯——不同構(gòu)型決定不同功能。身體構(gòu)型決定可執(zhí)行的任務(wù)和運(yùn)動(dòng)方式，肌肉剛度、驅(qū)動(dòng)頻率與輸出特性則決定具體的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。

例如，啄木鳥(niǎo)通過(guò)頸部構(gòu)型和肌肉高頻收縮完成啄擊；蝎子通過(guò)尾部姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)頻率的配合產(chǎn)生多種尾巴擺動(dòng)；蜜袋鼯則通過(guò)身體構(gòu)型變化，在爬行和滑翔模式之間切換，同時(shí)自帶育兒袋以攜帶幼崽。

圖丨肌骨致動(dòng)器（來(lái)源：Science Advances）

這些行為的共同底層邏輯被提煉為兩個(gè)獨(dú)立卻可協(xié)同的功能單元：在薄膜形肌骨致動(dòng)器中，“骨骼”模塊依托該團(tuán)隊(duì)此前開(kāi)發(fā)的可變骨骼技術(shù) [2]，主要負(fù)責(zé)形態(tài)重構(gòu)與構(gòu)型鎖定；“肌肉”模塊則重點(diǎn)聚焦于快速驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)類似生物肌肉的動(dòng)態(tài)剛度調(diào)節(jié)。

這樣，兩類模塊既能夠獨(dú)立控制，又能在系統(tǒng)層面協(xié)同工作。它與真實(shí)生物存在一處明顯的區(qū)別：生物軀體的形態(tài)變化本質(zhì)是局部肌肉牽拉骨骼、關(guān)節(jié)產(chǎn)生形變，而骨骼本身并不具備自主變形能力。

調(diào)節(jié)“肌肉”剛度，如何重塑動(dòng)態(tài)響應(yīng)？

在這項(xiàng)研究中，肌肉模塊由基于多層聚二甲基硅氧烷的介電彈性體層、柔性電極層和電熱調(diào)剛度的形狀記憶聚合物層堆疊組成。研究人員將形狀記憶聚合物層加熱變軟后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)有趣的變化：一是整快肌肉的共振頻率大幅度下降，二是共振幅度提升了約 30 倍。

可以將肌肉模塊理解為一根能夠振動(dòng)的柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)，它的共振頻率主要由剛度和質(zhì)量共同決定。在結(jié)構(gòu)質(zhì)量固定的情況下，剛度越高，共振頻率通常越高。當(dāng)形狀記憶聚合物受熱軟化后，肌肉模塊的整體剛度下降，共振頻率從 64 Hz 降低到 14 Hz。

振幅大幅度提升有兩層原因：首先，介電彈性體層的驅(qū)動(dòng)力只由外加高壓決定，肌肉模塊變軟之后，同等電場(chǎng)作用力下更容易發(fā)生彎曲形變。其次，當(dāng)外部高壓輸入頻率接近軟化狀態(tài)下的新共振頻率時(shí)，周期性輸入會(huì)被結(jié)構(gòu)的共振效應(yīng)放大。最終，彎曲角能夠由約 2.5°提升至 75°。

實(shí)驗(yàn)分析表明，輸出力受到結(jié)構(gòu)剛度和變形幅度兩種因素共同約束：剛度過(guò)高時(shí)，結(jié)構(gòu)很難產(chǎn)生大幅度形變；剛度過(guò)低，雖形變充足，但缺少力學(xué)支撐，有效輸出力會(huì)回落。因此，輸出力在中等剛度狀態(tài)附近達(dá)到峰值。

1.8 克“變形金剛”與 6.4 克“蜜袋鼯”：兩款微型機(jī)器人如何誕生

該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了兩款具有代表性的微型機(jī)器人。第一款是一個(gè)僅 1.8 g 重、可在四足與人形兩種構(gòu)型間切換的微型機(jī)器人。在四足狀態(tài)下，前后肢肌肉模塊按照交替時(shí)序驅(qū)動(dòng)，主要任務(wù)是產(chǎn)生推進(jìn)力和支撐身體，并實(shí)現(xiàn)了最高每秒 3 倍體長(zhǎng)的快速奔跑，能攜帶超過(guò)自身 3 倍重量的重物爬行。

當(dāng)切換為人形形態(tài)后，前肢離開(kāi)地面，不再承擔(dān)主要支撐和推進(jìn)任務(wù)，而用于擺臂和物體操作。研究人員進(jìn)一步在前肢末端加入了可變形夾爪，使機(jī)器人能夠彎腰抓取物體、重新站立并完成拋擲?！斑@里最重要的不是簡(jiǎn)單增加了一種動(dòng)作，而是通過(guò)改變身體構(gòu)型，重新定義同一個(gè)模塊在系統(tǒng)中的功能?！毙焓劳┦繉?duì) DeepTech 表示。

圖丨四足-人形機(jī)器人（來(lái)源：Science Advances）

此外，他們還展示了一款無(wú)線多模態(tài)微型機(jī)器人，它以蜜袋鼯為仿生原型，僅重 6.4 g、未展開(kāi)狀態(tài)下長(zhǎng)度僅 5 cm，能夠在陸地快速爬行、水面滑行游泳、空中滑翔降落，還能負(fù)載相當(dāng)于自身體重 56% 的貨物。

之所以選擇蜜袋鼯，核心原因是它在一個(gè)小型身體中同時(shí)體現(xiàn)了三種與多模態(tài)機(jī)器人功能高度類似的功能：爬行運(yùn)動(dòng)、展開(kāi)翼膜滑翔，以及利用育兒袋攜帶幼崽。液面游動(dòng)功能并非復(fù)刻蜜袋鼯的自然行為，而是利用展開(kāi)翼膜增加浮力后形成的功能擴(kuò)展。

傳統(tǒng)介電彈性體致動(dòng)器通常需要外接高壓電源，因此基于它做成真正無(wú)線的微型機(jī)器人充滿挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了一款輕量化升壓電路，其質(zhì)量?jī)H為 1.04 g，可由 3.7 V 電池輸出最高約 9.5 kV 的低至中頻高壓，并分別控制骨骼變形、肌肉剛度和運(yùn)動(dòng)頻率，讓該微型機(jī)器人擺脫了外部電源的束縛。

圖丨無(wú)線機(jī)器人與升壓電路（來(lái)源：Science Advances）

實(shí)際上，在如此小的體積和重量約束下實(shí)現(xiàn)數(shù)千倍升壓并非易事。原因在于介電彈性體通常需要千伏級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓，而機(jī)器人使用的鋰電池只有 3.7 V。變壓器、磁性元件和絕緣結(jié)構(gòu)通常都會(huì)占據(jù)較大的質(zhì)量和空間，這是微型化時(shí)最直接的矛盾。盡管 9.5 kV 電壓對(duì)應(yīng)的工作電流很小，毫米尺度電路上仍然容易引發(fā)空氣擊穿、表面爬電等效應(yīng)，因此布線距離、封裝絕緣、器件布局和重量必須同步考慮。

另一個(gè)挑戰(zhàn)在于，研究人員需要的并不是一個(gè)只能產(chǎn)生靜態(tài)高壓的電源，而是能夠輸出低至中頻高壓波形的驅(qū)動(dòng)電路。介電彈性體本質(zhì)上接近電容性負(fù)載，其高壓輸出頻率受到驅(qū)動(dòng)電路充放電時(shí)間常數(shù)的限制。

介電彈性體材料充電速度較快，放電速度一般較慢，而形變大小和驅(qū)動(dòng)電壓平方成正比，低壓區(qū)間形變有限。因此研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)抬升基準(zhǔn)低壓值以縮減放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出頻率提升。

機(jī)器人需要更聰明的大腦，也需要更聰明的身體

徐世威在清華大學(xué)固體力學(xué)方向取得博士學(xué)位，導(dǎo)師為張一慧教授，研究重心集中在柔性結(jié)構(gòu)力學(xué)、刺激響應(yīng)材料、柔性致動(dòng)器和微型機(jī)器人。目前，他在西北大學(xué) John Rogers 教授課題組開(kāi)展博士后研究，重點(diǎn)關(guān)注柔性結(jié)構(gòu)在觸覺(jué)反饋器件、類器官三維界面及植入式醫(yī)療器件中的應(yīng)用。

“我希望在博士后階段推動(dòng)柔性器件從單一材料或單一功能驗(yàn)證，進(jìn)一步走向具有傳感、驅(qū)動(dòng)、無(wú)線通信和閉環(huán)控制能力的系統(tǒng)，并在真實(shí)生物醫(yī)學(xué)或人機(jī)交互場(chǎng)景中完成驗(yàn)證?！毙焓劳硎尽?/p>

這項(xiàng)研究建立了一種“以機(jī)器人本體為中心”的設(shè)計(jì)方法，用物理結(jié)構(gòu)的智能設(shè)計(jì)來(lái)降低控制復(fù)雜度。這與當(dāng)前被高度關(guān)注的具身智能大模型（如 Google 的 RT-2、Physical Intelligence 的π0）形成了有趣的對(duì)比，后者強(qiáng)調(diào)用大規(guī)模數(shù)據(jù)訓(xùn)練通用策略。

在徐世威看來(lái)，兩者是處于不同技術(shù)層次的互補(bǔ)方案。具體而言，“以機(jī)器人本體為中心”設(shè)計(jì)關(guān)注的是：依靠材料、結(jié)構(gòu)層面的原生設(shè)計(jì)，降低整機(jī)的控制復(fù)雜度。例如，依靠構(gòu)型切換直接更改運(yùn)動(dòng)模態(tài)、借助結(jié)構(gòu)共振放大運(yùn)動(dòng)幅值、通過(guò)剛度調(diào)節(jié)匹配不同速度與負(fù)載需求。合理的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠壓縮控制維度降低系統(tǒng)功耗，大幅減輕上層算法的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

他指出，“本體力學(xué)設(shè)計(jì)存在缺陷的機(jī)器人，即便搭配復(fù)雜智能算法，也要付出極高的算力與能耗成本；當(dāng)然只依靠?jī)?yōu)化軀體結(jié)構(gòu)，缺少感知、決策單元，機(jī)器人也無(wú)法完成自主作業(yè)?！?/p>

談及為機(jī)器人裝上“大腦”的實(shí)際問(wèn)題，徐世威認(rèn)為，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看分層控制架構(gòu)是最優(yōu)解：底層采用基于物理模型的閉環(huán)反饋控制，保障穩(wěn)定、安全運(yùn)行；上層依托學(xué)習(xí)算法完成環(huán)境識(shí)別、全局任務(wù)規(guī)劃和工作模態(tài)自主切換。“結(jié)構(gòu)自帶的物理智能，搭配算法層面的決策智能，二者結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)完整的自主機(jī)器人系統(tǒng)?！?/p>

在接下來(lái)的研究階段中，該技術(shù)后續(xù)仍需在三個(gè)方向繼續(xù)推進(jìn)：首先是致動(dòng)器的長(zhǎng)期服役可靠性問(wèn)題。介電彈性體在長(zhǎng)期高壓和高頻條件下可能出現(xiàn)介電擊穿、界面分層和材料疲勞；形狀記憶聚合物的反復(fù)熱循環(huán)也會(huì)影響壽命。

其次是高壓電路系統(tǒng)優(yōu)化?，F(xiàn)有電路已實(shí)現(xiàn)克級(jí)質(zhì)量下的高壓輸出，但輸出頻率范圍、能量效率、封裝絕緣和多通道控制能力仍存在很大提升空間。

第三是傳感和閉環(huán)控制系統(tǒng)搭建?，F(xiàn)階段機(jī)器人的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)行為主要依據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制指令。未來(lái)如果集成慣性、光學(xué)、壓力和接觸傳感器，機(jī)器人可以根據(jù)自身狀態(tài)和外部環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)骨骼構(gòu)型、肌肉剛度與運(yùn)動(dòng)頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的自適應(yīng)。

參考資料：

1.Xu S, Zang C, Tang Z, et al. Musculoskeletal actuators with programmable morphology and tunable dynamics. Science Advances, 2026, 12(31): eaeg4524.

2.Xu S, Hu X, Yang R, et al. Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking. Nature Machine Intelligence, 2025, 7(5): 703-715.

3.Xu S, Li Z, Zhang Y. Fast-response electrically driven actuators with complex and programmable deformation modes. International Journal of Non-Linear Mechanics, 2026, 186: 105352.

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

注:封面/首圖(論文一作徐世威博士)由 AI 輔助生成

關(guān)鍵詞： 速度 形變 構(gòu)型 清華 致動(dòng)器 彈性體 微