迄今為止全球最小、最輕的微型無線陸空兩棲機(jī)器人來了！它的體長僅 9cm，質(zhì)量為 25g。

這項研究來自清華大學(xué)張一慧教授團(tuán)隊，這款機(jī)器人具有優(yōu)異的多模式運(yùn)動能力：不僅能實現(xiàn)空中飛行，還能在地面以最高 1.6m/s 的速度奔跑，并具備實時固定變形形態(tài)的獨(dú)特性能。

圖丨陸空兩棲機(jī)器人（來源：課題組）

該研究的核心技術(shù)突破在于創(chuàng)新性地采用了材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計策略，提出了具有連續(xù)形狀變化和構(gòu)型鎖定能力的薄膜形電熱響應(yīng)驅(qū)動器新設(shè)計概念。

基于此，研究人員開發(fā)出一種類似“搭積木”的復(fù)雜驅(qū)動器構(gòu)建方法，成功研制出一系列小尺寸但具備復(fù)雜變形能力的驅(qū)動器。其中，迷你版“變形金剛”驅(qū)動器高度僅 4.5cm，質(zhì)量輕至 0.8g。

圖丨“變形金剛”的人形態(tài)與車形態(tài)（來源：課題組）

研究人員進(jìn)一步將該類驅(qū)動器作為可重構(gòu)外骨骼，設(shè)計制備了具有復(fù)雜變形重構(gòu)能力的三維顯示器件，以及可在多種構(gòu)型（如“跑車”“飛車”和“貨車”）間切換的多功能微型輪式機(jī)器人。

圖丨微型輪式機(jī)器人（來源：課題組）

審稿人認(rèn)為這項工作極具創(chuàng)新性，“因為它探索了一種在先前的研究中未曾涉及的變形概念，并且展示了極具說服力的成果。”

近日，相關(guān)論文以《具有連續(xù)三維變形和鎖定能力的可重構(gòu)機(jī)器》（Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking）為題發(fā)表在Nature Machine Intelligence[1]。清華大學(xué)博士生徐世威是第一作者，張一慧教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Machine Intelligence）

用類似“搭積木”的組裝策略，實現(xiàn)機(jī)器人按需變形重構(gòu)

形狀重構(gòu)能力可賦予機(jī)器人豐富多樣的運(yùn)動模式，極大提升機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。目前，機(jī)器人主要通過兩種方式來實現(xiàn)形態(tài)改變：第一種是基于舵機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確重構(gòu)，例如人形機(jī)器人和四足機(jī)器狗；第二種則是采用具有變形和鎖定雙重功能的由智能材料構(gòu)成的驅(qū)動器，例如曾登上Nature封面的仿生海龜機(jī)器人 [2]。

然而，減小電機(jī)尺寸與質(zhì)量并實現(xiàn)其復(fù)雜變形能力頗具挑戰(zhàn)。當(dāng)前，小尺寸（如小于 5cm）驅(qū)動器存在技術(shù)瓶頸，難以同步達(dá)成連續(xù)的形狀改變與構(gòu)型鎖定，也不易實現(xiàn)同源且相互獨(dú)立的變形和鎖定控制，這極大阻礙了多模式機(jī)器人朝著微型化、無線化方向發(fā)展。

為突破這一技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊運(yùn)用材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計方法，提出了一種新型薄膜狀電熱響應(yīng)驅(qū)動器的設(shè)計制造方法，該驅(qū)動器具備連續(xù)形狀變化和構(gòu)型鎖定功能。

這種設(shè)計具有三大技術(shù)優(yōu)勢：一是能夠連續(xù)形狀變化與構(gòu)型鎖定的功能集成；二是顯著減輕了驅(qū)動器質(zhì)量并縮小了尺寸；三是驅(qū)動器鎖定構(gòu)型具有較強(qiáng)的承載能力，使其可作為可重構(gòu)外骨骼實現(xiàn)微型機(jī)器人的復(fù)雜形態(tài)變化。

在具體實現(xiàn)路徑上，該課題組建立了完整的設(shè)計體系：首先基于力學(xué)理論和仿真模擬技術(shù)，實現(xiàn)了驅(qū)動器變形效果的精準(zhǔn)預(yù)測；隨后通過精密加工工藝，成功實現(xiàn)了薄膜和塊體驅(qū)動器單胞制備；更重要的是，他們開創(chuàng)性地提出了一套逆向設(shè)計方法——從目標(biāo)功能與變形效果出發(fā)，反向推導(dǎo)驅(qū)動器單胞的組成與搭接方式。

圖丨薄膜和塊體驅(qū)動器單胞（來源：課題組）

徐世威對 DeepTech 解釋說道：“這種類似樂高積木的組裝策略，使搭建的驅(qū)動器可作為機(jī)器人外骨骼，‘即插即用’地實現(xiàn)機(jī)器人按需變形重構(gòu)。”

（來源：Nature Machine Intelligence）

具體來說，驅(qū)動器單胞間主要采用膠水對準(zhǔn)粘接工藝，賦予其優(yōu)異的可拆卸性與替換性。這種模塊化的構(gòu)建方式極大提升了機(jī)器人的功能拓展能力，通過添加不同單胞作為外骨骼組件，即可快速賦予機(jī)器人全新功能，滿足多樣化應(yīng)用需求。

（來源：Nature Machine Intelligence）

以輪式機(jī)器人為例，運(yùn)用該逆向設(shè)計方法，可針對性構(gòu)建關(guān)鍵驅(qū)動器單胞，實現(xiàn)“跑車”“飛車”和“貨車”三種形態(tài)的靈活轉(zhuǎn)換，為微型機(jī)器人設(shè)計提供了全新范式。

該研究始于 2022 年 11 月，在整個過程中研究人員攻克了多項關(guān)鍵技術(shù)難題。首要挑戰(zhàn)在于小尺寸驅(qū)動器的開發(fā)方面，傳統(tǒng)變體機(jī)器人多采用體積大、質(zhì)量重的伺服電機(jī)實現(xiàn)形態(tài)變換，嚴(yán)重制約小型化發(fā)展。

研究人員通過創(chuàng)新的“材料-結(jié)構(gòu)”協(xié)同設(shè)計，巧妙組合了兩種智能材料——液晶彈性體和形狀記憶聚合物，并在結(jié)構(gòu)中引入熱隔離空腔，首次實現(xiàn)了小尺寸驅(qū)動器在電熱驅(qū)動下的可控連續(xù)變形與鎖定功能。

需要了解的是，驅(qū)動器在電熱驅(qū)動時最高溫度約為 70℃，這對其在柔性電子及可穿戴設(shè)備的應(yīng)用具有一定局限性。為解決該問題，研究人員開發(fā)了具備不同玻璃化溫度（Tg）的形狀記憶聚合物及不同相轉(zhuǎn)變溫度（TNI）的液晶彈性體。

該驅(qū)動器可用于構(gòu)建可變形電子器件，通過構(gòu)型改變實現(xiàn)其功能切換。此外，由于該驅(qū)動器還具備較強(qiáng)的承載能力以及變剛度特性，有望構(gòu)建用于 VR/AR 的觸覺反饋器件。

第二個重大挑戰(zhàn)在于驅(qū)動器與微型機(jī)器人系統(tǒng)的無縫集成。為實現(xiàn)陸空兩棲機(jī)器人的可控形態(tài)切換及多模式運(yùn)動，該課題組對驅(qū)動器的尺寸、厚度等參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，同時對機(jī)器人的旋翼尺寸、旋翼間距及電機(jī)型號等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)設(shè)計。經(jīng)過室內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性測試與迭代優(yōu)化，最終成功實現(xiàn)了機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。

回顧歷時兩年多的研究過程，徐世威特別提到一個難忘時刻：“2023 年除夕夜，當(dāng)校園一片寂靜時，我們實驗室仍燈火通明。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化設(shè)計和實驗驗證，我終于在跨年之際成功實現(xiàn)陸空兩棲機(jī)器人的形態(tài)切換，并完成其在復(fù)雜環(huán)境中的陸地與空中運(yùn)動模式間的轉(zhuǎn)換。這一突破不僅是對個人科研堅持的回報，更是團(tuán)隊協(xié)作與智慧的結(jié)晶，也更加堅定了我在科研創(chuàng)新道路上繼續(xù)探索的決心。”

“小”身板，“大”應(yīng)用

這款陸空兩棲機(jī)器人系統(tǒng)憑借其突出的變形/鎖定能力以及強(qiáng)大的運(yùn)動性能，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景：

在安防與救援領(lǐng)域，其多模式運(yùn)動能力及微小身軀使其能在復(fù)雜地形中實現(xiàn)障礙物穿越與裂縫飛越，特別適用于災(zāi)后搜救和狹窄空間探測等場景。

在環(huán)境探測方面，模塊化集成的多類型傳感器系統(tǒng)支持陸地、空中及復(fù)雜過渡地形的全域數(shù)據(jù)采集，可提供實時、精準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

在智能家居應(yīng)用上，該機(jī)器人憑借獨(dú)特的空間適應(yīng)能力和陸地長續(xù)航特性，可實現(xiàn)家居設(shè)備的智能巡檢與維護(hù)，顯著提升居家安全性和便利性。

在醫(yī)療器械領(lǐng)域，該技術(shù)可延伸應(yīng)用于可展開式植入設(shè)備開發(fā)，如智能電子支架、微型無影燈等，為微創(chuàng)手術(shù)提供創(chuàng)新解決方案。

此外，在可穿戴和消費(fèi)電子領(lǐng)域，這項技術(shù)有望推動三維動態(tài)顯示界面、VR/AR 觸覺反饋系統(tǒng)等新一代人機(jī)交互產(chǎn)品的發(fā)展，亦可加速新形態(tài)電子器件的發(fā)展，如聲控自主折疊電子產(chǎn)品，將顯著提升用戶體驗。

圖丨張一慧（左）與徐世威（右）（來源：張一慧、徐世威）

張一慧教授曾入選 2016 年《麻省理工科技評論》全球“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”。在柔性電子器件與微型機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的時代背景下，他帶領(lǐng)團(tuán)隊長期專注于力學(xué)引導(dǎo)的三維微納結(jié)構(gòu)及電子器件組裝制造方法研究，在力學(xué)理論、設(shè)計方法及新形態(tài)電子器件與系統(tǒng)制造等方面取得系列具有原創(chuàng)性的研究成果。

基于所創(chuàng)建的三維組裝制造方法，該團(tuán)隊先后研制出微型軟體攀爬機(jī)器人、具有仿生三維架構(gòu)的電子皮膚、具有傳感能力的球帽狀電子細(xì)胞支架等創(chuàng)新器件及系統(tǒng)（DeepTech 此前報道：清華團(tuán)隊利用仿生微點(diǎn)陣定制復(fù)雜曲面，制備新型三維生醫(yī)電子器件；清華大學(xué)合作研發(fā)全球最小飛行結(jié)構(gòu)登上Nature封面，只有筆芯大小，靈感來自楓樹種子）。

此外，團(tuán)隊還提出基于多級點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀材料設(shè)計新概念，建立了其非線性細(xì)觀力學(xué)大變形理論模型，制備出可精確匹配生物組織力學(xué)性能的仿生材料，以及具有超大負(fù)溶脹、可編程多穩(wěn)態(tài)特性等非常規(guī)性質(zhì)的力學(xué)超材料，并據(jù)此研制出用于生物軟組織再生的柔性網(wǎng)狀支架等新型器件。

徐世威是 2020 年加入該課題組的博士生，他創(chuàng)新性地融合了液晶彈性體驅(qū)動應(yīng)變定制化設(shè)計策略與屈曲組裝技術(shù)，成功研發(fā)出三維電響應(yīng)驅(qū)動器，其不僅能定制三維構(gòu)型，還可調(diào)節(jié)剛度 [3]。基于該技術(shù)，徐世威開發(fā)的微型軟體機(jī)器人（體長 6-90mm，質(zhì)量 0.2-3g）實現(xiàn)了在多種材質(zhì)及不同形貌墻面上的自主攀爬與不同墻面間的過渡運(yùn)動，突破了傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性限制。此外，他還建立了基于鍍膜輔助固形策略和屈曲組裝方法的獨(dú)立三維結(jié)構(gòu)固形效果解析力學(xué)模型，為復(fù)雜三維驅(qū)動器的設(shè)計提供了堅實的理論基礎(chǔ) [4]。

該課題組在微型驅(qū)動器領(lǐng)域的后續(xù)研究中將聚焦三個方向：

一是探索更多功能材料與結(jié)構(gòu)組合方案，進(jìn)一步提升驅(qū)動器的響應(yīng)速度、能效比和穩(wěn)定性，以滿足更高精度、更高負(fù)載、多場景切換的應(yīng)用需求。“由于微型機(jī)器人的電池體積非常小，續(xù)航能力有待提升，因此我們將探索太陽能電池等方式對鋰電池進(jìn)行能量補(bǔ)充。”徐世威說。

二是深入推進(jìn)驅(qū)動器與機(jī)器人系統(tǒng)的智能化和集成化，包括引入高性能柔性傳感器，結(jié)合 AI 芯片運(yùn)算實現(xiàn)“感-驅(qū)-控”一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而提升微型機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主決策能力。

三是積極拓展該類驅(qū)動器在可穿戴電子領(lǐng)域的應(yīng)用邊界，探索其在智能醫(yī)療、人機(jī)交互等更多場景的潛在價值 [5]。

對此，徐世威提出了一種體內(nèi)診療機(jī)器人的構(gòu)想：未來可通過口服內(nèi)置微型機(jī)器人的智能膠囊實現(xiàn)體內(nèi)介入診療。該膠囊搭載的機(jī)器人兼具自主運(yùn)動與外部磁場精準(zhǔn)導(dǎo)航功能，能經(jīng)消化道抵達(dá)指定病灶，如腸道息肉處。當(dāng)膠囊到達(dá)目標(biāo)位置后，外殼破裂釋放機(jī)器人，機(jī)器人在變形后抓取、切除病灶，術(shù)后自動降解，規(guī)避傳統(tǒng)手術(shù)殘留風(fēng)險。

此外，機(jī)器人集成多模態(tài)傳感元件，可附著于心臟表面采集心電信號等生理指標(biāo)，或纏繞血管、神經(jīng)進(jìn)行血流參數(shù)監(jiān)測、神經(jīng)電信號采集等原位檢測，以運(yùn)動、操作、感知一體化設(shè)計，推動精準(zhǔn)醫(yī)療向微創(chuàng)、智能、全周期方向發(fā)展，為消化道、心血管等腔內(nèi)疾病診療開辟新路徑。

考慮到新型驅(qū)動系統(tǒng)和微型機(jī)器人技術(shù)的特殊性，研究人員認(rèn)為，未來在技術(shù)成熟后，將優(yōu)先考慮與具有場景落地能力的行業(yè)伙伴展開深度合作。

參考資料：

1.Xu S, Hu X, Yang R, et al. Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking.Nature Machine Intelligence,2025, https://doi.org/10.1038/s42256-025-01028-4

2.Baines R, Patiballa S K, Booth J, et al. Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis.Nature, 2022, 610(7931): 283-289. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05188-w

3.Pang W?, Xu S?, Wu J, et al. A soft microrobot with highly deformable 3D actuators for climbing and transitioning complex surfaces.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(49): e2215028119. https://doi.org/10.1073/pnas.2215028119

4.Xu S, Tang Z, Yang R, et al. A mechanics model of coating-assisted strategy for shape fixation of 3D mesostructures based on buckling-guided assembly.European Journal of Mechanics-A/Solids, 2025, 111: 105549. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2024.105549

5.Xu S, Yang R, Yang Y, et al. Shape-morphing bioelectronic devices.Materials Horizons, 2025,https://doi.org/10.1039/D5MH00453E

運(yùn)營/排版：何晨龍