在清華大學(xué)張一慧教授的實(shí)驗(yàn)室里，一款僅25克重、巴掌大小的機(jī)器人正在上演“變形記”：前一秒還像無人機(jī)般在空中盤旋，下一秒就收起旋翼變身“小汽車”在地面疾馳。這個(gè)全球最小的無線陸空兩棲機(jī)器人，究竟蘊(yùn)藏著怎樣的黑科技？

張一慧，清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系長(zhǎng)聘教授，在中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)電子學(xué)會(huì)等兼任多項(xiàng)職務(wù)，曾獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、科學(xué)探索獎(jiǎng)。

張一慧團(tuán)隊(duì)科研攻關(guān)的幕后有哪些不為人知的故事？他為何屢獲國(guó)際前沿科技成果？本期“科研現(xiàn)場(chǎng)”欄目，我們聆聽這位80后青年科學(xué)家的創(chuàng)新思考。

改寫多模態(tài)微型機(jī)器人規(guī)則

要讓機(jī)器人又小又輕、無線控制，還要具備復(fù)雜形態(tài)切換能力非常難。

形態(tài)上來看，以往公開報(bào)道的陸空兩棲機(jī)器人，重量一般在450克以上，而我們研發(fā)的這款機(jī)器人尺寸特別小，僅有9厘米長(zhǎng)、25克重，完全無線操控，是已知世界最小、最輕的微型無線陸空兩棲機(jī)器人。

從功能上來看，相較于傳統(tǒng)小型無人機(jī)，它具備陸地和空中兩種運(yùn)動(dòng)模式，還可以變體，可根據(jù)環(huán)境靈活切換模式，展現(xiàn)出更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

而這些特性的實(shí)現(xiàn)主要源于一項(xiàng)核心原創(chuàng)技術(shù)，一種具有連續(xù)變形和鎖定能力的小型驅(qū)動(dòng)器，這是微型機(jī)器人的“心臟”，也是我們?cè)诓牧吓c結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新成果。

這款薄膜狀的微型驅(qū)動(dòng)器，最小只有幾毫米，通過電控制，可像“變形金剛”一般讓微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)連續(xù)形狀變化，還能“鎖定”其特定動(dòng)作形態(tài)，提升其環(huán)境適應(yīng)能力——這是以往小尺度驅(qū)動(dòng)器很難做到的。

基于該驅(qū)動(dòng)器，我們實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人形態(tài)的按需切換，具備地面行駛與空中飛行的運(yùn)動(dòng)能力，在輕量化與小型化的同時(shí)，還能適應(yīng)如崎嶇地面、狹窄通道或樹洞等復(fù)雜地形。

圖為具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅(qū)動(dòng)器。（a）為驅(qū)動(dòng)器的變形和鎖定示意圖；（b）為基于“搭積木”設(shè)計(jì)策略的“變形金剛”驅(qū)動(dòng)器。（比例尺：10mm）

從應(yīng)用角度來看，這項(xiàng)技術(shù)極大地拓展了機(jī)器人的應(yīng)用空間。例如，應(yīng)用于設(shè)備故障診斷及檢修、地質(zhì)及文物勘探等場(chǎng)景，替代人類執(zhí)行復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下的多種任務(wù)。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，比如植入式設(shè)備，像電子支架能以折疊狀態(tài)進(jìn)入體內(nèi)再展開。未來，我們還打算把這項(xiàng)技術(shù)用到觸覺反饋或虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，讓人機(jī)交互模式更加豐富多樣。

取舍與創(chuàng)新：從“海陸空”到“陸空”

回顧整個(gè)項(xiàng)目，從最初構(gòu)想到實(shí)驗(yàn)成功，團(tuán)隊(duì)傾注了兩年多心血。

實(shí)際上，自2017年起，我們課題組便投身于微型機(jī)器人研究領(lǐng)域。早期，我們成功研發(fā)出一款微型軟體爬墻機(jī)器人，它能跟“蜘蛛俠”一樣，在圓柱面、球面、波浪面各種復(fù)雜形貌的墻面攀爬，甚至能在樹葉或竹節(jié)上“大顯身手”。

此外，我們還與合作伙伴攜手，研發(fā)出一款受風(fēng)傳種子啟發(fā)的被動(dòng)式微電子飛行器。這款飛行器設(shè)計(jì)輕巧，能在空中自旋穩(wěn)定下落，且下落速度極低，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)滯空。

在前期的研究中，我們積累了豐富的軟體驅(qū)動(dòng)器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并深刻認(rèn)識(shí)到形狀重構(gòu)能力對(duì)于微型機(jī)器人的重要性，可賦予機(jī)器人多樣化的運(yùn)動(dòng)模式，提升它的環(huán)境適應(yīng)能力。

最初，我們的目標(biāo)是開發(fā)一款海陸空三棲機(jī)器人。我們花費(fèi)了半年多的時(shí)間嘗試，在實(shí)際操作中，雖然初步實(shí)現(xiàn)了水面運(yùn)動(dòng)，但效果并不理想。經(jīng)過深入的討論和慎重地考慮，我們決定先聚焦兩棲功能，先逐步實(shí)現(xiàn)，再謀更大突破。

研究?jī)蓷珯C(jī)器人時(shí)，難題又來了：如何在縮小電機(jī)尺寸和質(zhì)量的同時(shí)，讓它具備復(fù)雜變形能力？現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器在小尺度（比如小于5厘米）下，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)形狀變化和構(gòu)型鎖定，也難以做到同源且解耦的變形與鎖定控制，這嚴(yán)重阻礙了多模式機(jī)器人向微型化、無線化發(fā)展。

我的博士生徐世威是這項(xiàng)工作的主要負(fù)責(zé)人，在前期研究中，他已經(jīng)深入掌握了智能材料（有可控變形能力的液晶彈性體、形狀記憶聚合物材料）的工藝和應(yīng)用特點(diǎn)。

張一慧（右）指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

但僅了解材料特性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，又一個(gè)挑戰(zhàn)擺在面前：要將這兩種材料有機(jī)地融合在一起，讓它們?cè)陔娍剡^程中互不干擾，既能獨(dú)立工作，又能協(xié)同配合。

于是，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上大膽創(chuàng)新，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)在力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，引入空腔設(shè)計(jì)，用空氣實(shí)現(xiàn)熱隔離。這樣，用同一種電源就能控制變形和鎖定這兩種功能，它們互不干擾，還能緊密協(xié)作。

通過巧妙融合創(chuàng)新材料-結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，我們成功解決了小尺度驅(qū)動(dòng)器連續(xù)變形和鎖定的難題。

在工藝上，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與機(jī)器人系統(tǒng)無縫集成也充滿挑戰(zhàn)。為讓機(jī)器人能可控切換形態(tài)，在地面和空中靈活運(yùn)動(dòng)，我們對(duì)驅(qū)動(dòng)器的尺寸、厚度等參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

最終，在團(tuán)隊(duì)成員的刻苦鉆研和高效工作下，我們成功攻克難關(guān)。其實(shí)，我課題組很多研究工作周期都較長(zhǎng)，這次項(xiàng)目能在兩年多完成，學(xué)生的努力功不可沒。

走在國(guó)際前沿，深耕關(guān)鍵力學(xué)難題

2015年，我從美國(guó)西北大學(xué)回國(guó)加入清華大學(xué)。過去十多年，我們課題組始終緊跟世界科技前沿，積極響應(yīng)國(guó)家在科技領(lǐng)域的重大需求，深耕三維微納結(jié)構(gòu)與微納電子器件設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵力學(xué)難題，為器件或系統(tǒng)層面的創(chuàng)新提供了理論基礎(chǔ)和制造途徑。

我們從基礎(chǔ)力學(xué)設(shè)計(jì)方法、理論出發(fā)，延伸至器件結(jié)構(gòu)、加工工藝，再到應(yīng)用層面，全面深入地開展研究，從技術(shù)攻關(guān)到創(chuàng)新應(yīng)用，層層推進(jìn)。

在器件與結(jié)構(gòu)制造上，三維組裝制造技術(shù)是我課題組原創(chuàng)的“獨(dú)門秘籍”。

我們創(chuàng)新性地提出利用屈曲力學(xué)組裝三維微納結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單來說，就是先在成熟的半導(dǎo)體二維平面加工工藝下，做出易成型的二維微納結(jié)構(gòu)或器件，再通過力學(xué)加載讓其“變身”成三維結(jié)構(gòu)。憑借此技術(shù)，我們?cè)趪?guó)際上率先完成了軟基底上單晶硅復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的組裝與重構(gòu)。

大自然是我們的靈感源泉。許多植物的多孔微結(jié)構(gòu)對(duì)自身成型和形態(tài)發(fā)展至關(guān)重要，受此啟發(fā)，我們提出了微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)概念，建立了理論模型和機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了30多種微觀甚至納米尺度的三維復(fù)雜曲面定制化設(shè)計(jì)和制備。

這項(xiàng)成果應(yīng)用前景廣闊。比如，研制出可與心臟表面共形貼附的透氣式三維電子器件、仿視網(wǎng)膜的三維電子細(xì)胞支架等。

我們還創(chuàng)建了電子皮膚器件的仿生三維架構(gòu)，從物理層面實(shí)現(xiàn)了壓力、剪切力和應(yīng)變的解耦測(cè)量。結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，研制出僅靠觸摸就能同時(shí)測(cè)量物體模量及局部主曲率的先進(jìn)觸覺系統(tǒng)。

具有三維架構(gòu)的電子皮膚：仿生設(shè)計(jì)概念及真實(shí)器件圖片。

這一成果在機(jī)器人領(lǐng)域潛力巨大，能讓機(jī)器人擁有觸覺感知，與外界有效交互。如搭載該電子皮膚的機(jī)器人觸摸水果，就能感知硬度和表面彎曲度，判斷是否變質(zhì)。此項(xiàng)工作被電子皮膚領(lǐng)域頂尖專家評(píng)價(jià)為“電子皮膚技術(shù)的一大進(jìn)步”，提出的“創(chuàng)新路徑”讓電子皮膚具備了“此前從未擁有的傳感能力”。

近些年我們能在科研上取得一些重要進(jìn)展，我覺得主要?dú)w功于課題組長(zhǎng)期注重交叉融合，立足力學(xué)學(xué)科，關(guān)注前沿科技問題，運(yùn)用力學(xué)原理和多學(xué)科交叉手段攻克關(guān)鍵問題。

我們研發(fā)的原創(chuàng)性技術(shù)，不僅攻克了該領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的痛點(diǎn)問題，更為國(guó)家技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份綿薄力量。這讓我深感責(zé)任重大，也明白了這份工作的非凡意義。

行勝于言，跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的科研突破

作為一名教師，在教書育人的歲月里，我時(shí)常被學(xué)生們的成長(zhǎng)所觸動(dòng)。

看著他們?cè)诠タ穗y題、解決問題的道路上不斷磨礪自己，從青澀走向成熟，科研能力日益精進(jìn)，成功跨越一道道難關(guān)，我滿心欣慰與自豪。

科研之路，絕非坦途。許多科研問題的研究周期漫長(zhǎng)，探索過程中困難重重。但學(xué)生們從未言棄，和我一起鉆研新知，學(xué)會(huì)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，科研能力顯著提升。

就拿我們立項(xiàng)的微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)工作來說，從啟動(dòng)到完成，歷時(shí)五年，期間歷經(jīng)無數(shù)失敗與停滯。

微點(diǎn)陣設(shè)計(jì)的構(gòu)想最早源于2018年。項(xiàng)目初期，我安排一位博士后和一名本科生共同開展工作。可推進(jìn)過程中，困難接踵而至。一方面，我們制備經(jīng)驗(yàn)不足；另一方面，制備條件也不完善，項(xiàng)目進(jìn)展緩慢。近兩年過去，預(yù)期效果仍未取得重大突破。

后來我意識(shí)到，要讓設(shè)計(jì)不僅理論上可行，實(shí)驗(yàn)制備也得有成效，才能驗(yàn)證理論。于是，我安排一位動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Χ己軓?qiáng)的博士生加入團(tuán)隊(duì)，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)和工藝摸索。他加入一年后，項(xiàng)目有了起色。之后，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)興起，也為我們的技術(shù)拓展提供了契機(jī)。

有了新技術(shù)支持，我們立項(xiàng)設(shè)計(jì)的一些非常復(fù)雜的曲面，包括一個(gè)與螞蟻形態(tài)極為相似的曲面，都取得了令人矚目的成果。這個(gè)用電子器件材料加工出來的曲面，形態(tài)逼真且尺寸與真實(shí)螞蟻相當(dāng)。

在這個(gè)過程中，我深切體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，也明白了實(shí)驗(yàn)和制造工藝的關(guān)鍵作用。這些基礎(chǔ)工作雖在論文中可能一筆帶過，但重要性不容小覷。

整個(gè)項(xiàng)目持續(xù)五年，期間有博士生畢業(yè)，博士后出站。但我們克服疫情和空間距離，保持緊密聯(lián)系，持續(xù)推進(jìn)研究。

從這一項(xiàng)目可以看出，一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間項(xiàng)目的成功，需要鉆研精神和“坐冷板凳”的毅力。

其實(shí)，我的課題組規(guī)模不大，但成員專業(yè)背景多元。博士生大多是力學(xué)專業(yè)背景，博士后團(tuán)隊(duì)則涵蓋電子、材料、機(jī)械、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。這種多元背景，為我們解決復(fù)雜綜合性問題提供了有力支持，尤其在電子器件、微型機(jī)器人等方向上，不同專業(yè)背景的人才各展所長(zhǎng)，通力合作，更高效地解決問題。

張一慧（前排左一）與團(tuán)隊(duì)成員。

團(tuán)隊(duì)合作中，我們特別強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)和拼搏精神。大家深入研討、交流，互相啟發(fā)，共同進(jìn)步。正是這種精誠(chéng)合作，讓我們?cè)诳蒲械缆飞喜粩嗤黄啤?/p>

我想對(duì)正在科研道路上共同奮斗的同仁說，我們生逢一個(gè)特別好的時(shí)代，科技在國(guó)家各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展中舉足輕重，我們要敢于拼搏、放手奮斗，不負(fù)時(shí)代，不負(fù)韶華。

清華大學(xué)的校風(fēng)“行勝于言”是影響我較大的一句座右銘。它激勵(lì)著我在科研道路上不斷前行，也時(shí)刻提醒著我，要用實(shí)際行動(dòng)來腳踏實(shí)地地做研究。

責(zé)　　編：陳盡美

審　　核：張敬一

值班編委：宋玉榮