科學(xué)家受犰狳啟發(fā)，造出可按需調(diào)節(jié)的軟體機(jī)器人主動形變防護(hù)骨骼

柔軟，是軟體機(jī)器人最大的優(yōu)勢，也是它們最致命的弱點(diǎn)。

過去十余年間，軟體機(jī)器人與柔性電子領(lǐng)域經(jīng)歷了爆發(fā)式增長。從能夠在狹窄管道中蠕動穿行的軟體蛇形機(jī)器人，到貼合人體皮膚的可拉伸傳感器，柔性使這些裝置獲得了傳統(tǒng)剛性機(jī)器人無法比擬的環(huán)境適應(yīng)能力與安全交互性。

然而，一個(gè)根本性的工程矛盾是，賦予它們?nèi)彳浱刭|(zhì)的那些彈性體材料，在面對沖擊、穿刺乃至日常碰撞時(shí)，幾乎毫無招架之力。柔性電子器件被意外踩踏后即告報(bào)廢，軟體機(jī)器人在野外作業(yè)中遭遇尖銳物體，便可能被“開膛破肚”。

2026 年 5 月 27 日，北卡羅來納州立大學(xué)的朱勇教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表了一篇封面文章，提出一種受犰狳啟發(fā)的主動變形骨骼系統(tǒng)，在單一結(jié)構(gòu)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)形變與按需力學(xué)防護(hù)。

（來源：https://www.science.org/toc/sciadv/12/22）

這項(xiàng)工作將生物體中的“驅(qū)動-變形-互鎖-強(qiáng)化”機(jī)制轉(zhuǎn)化成了可制造、可編程、可預(yù)測的工程結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)將其命名為“形變互鎖防護(hù)模塊”（morpho-interlocking protective module, MIPM）。它讓一片柔軟的薄片結(jié)構(gòu)在檢測到外部威脅后，能夠自主蜷曲成一個(gè)剛性閉合球體，從而保護(hù)內(nèi)部載荷。

軟體機(jī)器人的阿喀琉斯之踵

在材料科學(xué)的基本邏輯中，柔性（compliance）與防護(hù)（protection）近乎天然對立。防護(hù)要求材料具有高剛度和高強(qiáng)度來抵抗外力侵入，柔性則要求材料能夠大幅度彎曲變形而不斷裂。傳統(tǒng)剛性機(jī)器人用金屬外殼便能獲得可靠防護(hù)，代價(jià)是喪失了與柔軟環(huán)境交互的能力。

因此，在朱勇教授團(tuán)隊(duì)看來，軟機(jī)器領(lǐng)域長期存在一個(gè)核心矛盾：柔性賦予系統(tǒng)變形、貼合和適應(yīng)環(huán)境的能力，但也使其在沖擊、穿刺或擠壓等威脅下更容易失效。

過去數(shù)年間，研究者們已經(jīng)嘗試從自然界尋找靈感來彌合這一裂隙。2019年，麻省理工學(xué)院與哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者在《自然-通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了受石鱉（chiton）鱗片啟發(fā)的柔性鎧甲設(shè)計(jì)，通過3D打印的鑲嵌鱗片陣列在柔性基底上實(shí)現(xiàn)了防護(hù)與彎曲的兼顧。穿山甲鱗片、魚鱗結(jié)構(gòu)等生物原型也被相繼轉(zhuǎn)化為工程方案。

然而，這些設(shè)計(jì)解決的核心問題是靜態(tài)的柔性與防護(hù)權(quán)衡，它們本質(zhì)上是一層被動覆蓋在柔性結(jié)構(gòu)表面的鎧甲，其剛度分布在制造完成后就已確定，無法根據(jù)外部環(huán)境的變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。換言之，它們是穿上就脫不下來的盔甲。

一堂來自犰狳的防御設(shè)計(jì)課

犰狳是哺乳動物中極為獨(dú)特的一支。全球現(xiàn)存約二十余種犰狳，它們都擁有覆蓋身體的骨質(zhì)甲片（一種由真皮層骨化形成的外骨骼結(jié)構(gòu)）。但在所有犰狳物種中，只有三帶犰狳屬（Tolypeutes）的兩個(gè)物種：巴西三帶犰狳（Tolypeutes tricinctus）和南方三帶犰狳（Tolypeutes matacus），可將整個(gè)身體蜷縮成一個(gè)幾乎完全閉合的剛性球體。

圖 | 犰狳蜷縮圖示（來源：受訪者提供）

這種行為在生物學(xué)上被稱為球縮防御，是一種主動的、由神經(jīng)肌肉系統(tǒng)驅(qū)動的防御策略。與其他犰狳不同，三帶犰狳的甲片之間存在可活動的帶狀區(qū)域，頭部和尾部在蜷曲時(shí)能夠精確互鎖，形成密封的球形殼體，使捕食者的爪牙無從著力。九帶犰狳（Dasypus novemcinctus）等其他物種由于甲片數(shù)量過多、帶間活動度不足，無法完成這一動作，遇到威脅時(shí)只能選擇挖洞逃遁。

但球縮防御遠(yuǎn)不只是把身體卷起來這么簡單。它的力學(xué)基礎(chǔ)在于一種獨(dú)特的內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)：異關(guān)節(jié)脊柱。犰狳的腰椎相鄰椎骨之間，除了哺乳動物通常具有的關(guān)節(jié)突之外，還額外發(fā)育出了一組獨(dú)特的附屬關(guān)節(jié)面，這些附加關(guān)節(jié)提供了額外的脊柱間聯(lián)鎖支撐。

這種外骨骼提供覆蓋防護(hù)、內(nèi)骨骼提供結(jié)構(gòu)剛度、肌肉系統(tǒng)提供主動驅(qū)動的三方協(xié)同，使三帶犰狳能夠在柔軟活動狀態(tài)與剛性防御狀態(tài)之間快速切換，它們也因此成了朱勇團(tuán)隊(duì)試圖在人工結(jié)構(gòu)中復(fù)現(xiàn)的設(shè)計(jì)藍(lán)本。

圖 | 仿生設(shè)計(jì)理念（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

解剖一副人造犰狳骨骼

MIPM 的設(shè)計(jì)者之一，這項(xiàng)研究的第一作者，北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系的博士后研究員周建宇（Jianyu Zhou）告訴 DeepTech，他們選擇將犰狳的防御解剖學(xué)邏輯轉(zhuǎn)譯成了一個(gè)由三個(gè)功能層協(xié)同運(yùn)作的工程結(jié)構(gòu)。

最外層是外骨骼。它由一系列分段式弧形鱗片構(gòu)成，材料是 3D 打印的光固化樹脂。與此前仿生鎧甲中常見的平板式剛性鱗片不同，為仿照犰狳甲片的球縮過程，MIPM 的外骨骼鱗片被設(shè)計(jì)為順應(yīng)曲率變化的弧形幾何構(gòu)型：當(dāng)結(jié)構(gòu)從平展?fàn)顟B(tài)彎曲為球形時(shí)，鱗片能夠沿曲面連續(xù)貼合，始終保持對下方組織的覆蓋。

最內(nèi)層是內(nèi)骨骼，它的設(shè)計(jì)靈感直接來源于犰狳的異關(guān)節(jié)脊柱。研究團(tuán)隊(duì)用高強(qiáng)度紙材折疊成一系列脊?fàn)铖薨櫧Y(jié)構(gòu)，并在其中嵌入了一排由剛性聚合物制成的節(jié)段鱗片（segmental scales）。

當(dāng) MIPM 處于平展的柔性狀態(tài)時(shí)，這些節(jié)段鱗片彼此分離，不干涉結(jié)構(gòu)的整體彎曲。但當(dāng)結(jié)構(gòu)蜷曲到一定曲率后，相鄰的節(jié)段鱗片會像拼圖一樣相互咬合、鎖定，形成一個(gè)剛性的內(nèi)部承載骨架。

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測量、有限元仿真和理論建模三方交叉驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)內(nèi)骨骼的長度、間距以及折紙界面的幾何參數(shù)，共同決定了最終在目標(biāo)曲率下的接觸和承載效果。例如，包含 10 個(gè)節(jié)段鱗片的內(nèi)骨骼，在互鎖狀態(tài)下能夠承受約 10 牛頓的集中載荷。

圖 | 力學(xué)響應(yīng)與分析（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

而在外骨骼與內(nèi)骨骼之間的中間層——感知與驅(qū)動層，則是整個(gè)系統(tǒng)得以“活起來”的神經(jīng)與肌肉。這是一個(gè)由四種不同功能材料疊合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，每一層材料都扮演著不可替代的角色。

最靠近外骨骼一側(cè)的是液晶彈性體（LCE）層。作為一種將液晶分子的取向有序性與聚合物網(wǎng)絡(luò)彈性結(jié)合的智能材料，LCE 在此處扮演著“人工肌肉”的角色。室溫下，液晶基元保持各向異性的有序排列，材料處于伸展?fàn)顟B(tài)；當(dāng)溫度升高至液晶相向各向同性相轉(zhuǎn)變的臨界溫度時(shí)，有序排列被打破，導(dǎo)致材料發(fā)生高達(dá) 20% 以上的宏觀收縮。

（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

緊鄰 LCE 層的是一層應(yīng)變傳感器，由彈性聚合物基底嵌入銀納米線（AgNW）網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。銀納米線是朱勇課題組長期深耕的研究方向之一。

在 MIPM 中，AgNW 網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)了“神經(jīng)末梢”的角色：當(dāng)外部力量觸及結(jié)構(gòu)表面時(shí)，彈性基底形變引起電阻變化，傳感器會將信號傳至控制單元觸發(fā)防御反應(yīng)。通過改變銀納米線濃度和基底彈性模量，觸發(fā)閾值可按需調(diào)節(jié)，從輕微觸碰到顯著沖擊，靈敏度范圍寬廣。

（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

傳感器層之下是一層聚酰亞胺薄膜（Kapton），作為一種在航空航天和電子工業(yè)中廣泛使用的高性能聚合物，Kapton 以其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性著稱。在 MIPM 中，這一層的功能十分巧妙：它在加熱時(shí)膨脹，而與之相鄰的 LCE 層在加熱時(shí)收縮。一脹一縮的差異應(yīng)變就構(gòu)成了經(jīng)典的雙層致動器機(jī)制，驅(qū)動整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生定向彎曲變形。

最底層是一層可將電信號轉(zhuǎn)化為熱信號、連接感知與驅(qū)動的導(dǎo)電織物加熱層。當(dāng)控制單元接收到傳感器的威脅信號后，就會向這層導(dǎo)電織物通電，產(chǎn)生焦耳熱，熱量向上傳導(dǎo)，激活差異收縮機(jī)制，驅(qū)動結(jié)構(gòu)變形。

為了防止局部過熱導(dǎo)致界面失配，研究團(tuán)隊(duì)還專門設(shè)計(jì)了可編程的分布式加熱通道，能更精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)局部加熱區(qū)域、加熱時(shí)間和飽和溫度，在確保快速驅(qū)動的同時(shí)，讓材料始終工作在相對安全的溫度范圍內(nèi)。

四層功能材料與外骨骼、內(nèi)骨骼組合在一起，最終形成 MIPM 的完整工作回路：當(dāng)外力作用于結(jié)構(gòu)表面，傳感器檢測到形變將信號傳至控制單元，驅(qū)動通電后，焦耳熱激活 LCE 收縮與 Kapton 膨脹，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定向卷曲，外骨骼覆蓋、內(nèi)骨骼咬合鎖定，最終完成從柔性到剛性球體的轉(zhuǎn)變。整個(gè)過程形成自主閉環(huán)，無需人工干預(yù)。

如何讓這些剛性的 3D 打印骨骼與柔軟的驅(qū)動層協(xié)調(diào)變形，不發(fā)生界面脫粘或過度限制彎曲？

秘密在于連接處的“折紙式連接界面”與材料表面處理。 周建宇告訴DeepTech，如果剛性骨骼直接貼附在柔性的彈性體層上，大變形產(chǎn)生的剪切力極易導(dǎo)致層間剝離。

為此，團(tuán)隊(duì)在剛硬的骨骼和柔軟的驅(qū)動層之間設(shè)計(jì)了一層可轉(zhuǎn)動、可折疊的“折紙過渡結(jié)構(gòu)”，將整體的大形變分解為局部的微小轉(zhuǎn)動，極大降低了界面剪切應(yīng)力。同時(shí)，他們通過等離子體表面處理增強(qiáng)了不同軟材料層之間的結(jié)合力，在材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩端鎖死了脫粘的風(fēng)險(xiǎn)。

團(tuán)隊(duì)這一設(shè)計(jì)理念與犰狳體內(nèi)肌肉與骨骼的整合方式高度一致：驅(qū)動力直接作用于骨骼框架本身，保證結(jié)構(gòu)響應(yīng)的協(xié)調(diào)性和力學(xué)效率。

不只是蜷縮

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了 MIPM 的多模態(tài)變形行為。除了防御性蜷縮，結(jié)構(gòu)還能夠?qū)崿F(xiàn)滾動和抓取等動作模式。

圖 | MIPM 的保護(hù)性操作能力（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed251

在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)讓 MIPM 攜帶易碎載荷在模擬惡劣環(huán)境中完成了保護(hù)任務(wù)，結(jié)構(gòu)成功抵御了沖擊、穿刺和集中載荷等多種外力作用。

據(jù)周建宇介紹，團(tuán)隊(duì)還在結(jié)構(gòu)端部引入了磁吸附設(shè)計(jì)。一旦MIPM卷縮成保護(hù)形態(tài)，它不需要持續(xù)的電能輸入，僅靠磁吸附與內(nèi)骨骼互鎖就能維持在剛性防護(hù)狀態(tài)。這種“變硬自鎖后零能耗維持”的特性，對于要在惡劣環(huán)境下長時(shí)間執(zhí)行任務(wù)的軟機(jī)器而言，具有極高且務(wù)實(shí)的工程價(jià)值。而且，在經(jīng)歷100 次反復(fù)熱驅(qū)動循環(huán)測試后，MIPM 仍能保持穩(wěn)定變形能力。

而當(dāng)危險(xiǎn)過去，這個(gè)“裝甲球”又是如何重新恢復(fù)柔軟并繼續(xù)前行的呢？

朱勇教授團(tuán)隊(duì)告訴 DeepTech，內(nèi)骨骼的互鎖本質(zhì)上是幾何接觸和支撐，并非不可逆的機(jī)械死鎖。“當(dāng) LCE 冷卻并產(chǎn)生彈性恢復(fù)力時(shí)，內(nèi)骨骼之間的咬合接觸會隨著整體曲率的降低逐步解除。整個(gè)過程完全依賴材料自身的彈性回彈，不需要復(fù)雜的額外解鎖機(jī)構(gòu)。”

此外，研究團(tuán)隊(duì)還在 MIPM 中集成了藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)了無線無纜操控。這一工程細(xì)節(jié)實(shí)際上顯著拓展了MIPM的應(yīng)用場景：在危險(xiǎn)環(huán)境（如災(zāi)后廢墟搜索、化學(xué)泄漏現(xiàn)場）或人類難以抵達(dá)的空間中，無線操控能力使其可以獨(dú)立完成保護(hù)和運(yùn)輸任務(wù)。

（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

一個(gè)新范式的雛形

研究團(tuán)隊(duì)指出，MIPM 代表了變形與防護(hù)并行的一種新范式。

此前的仿生鎧甲研究解決的核心問題都是“靜態(tài)的柔性與防護(hù)權(quán)衡”，其剛度分布在制造完成后就已確定。MIPM 則創(chuàng)新地引入了時(shí)間維度：結(jié)構(gòu)的剛度變?yōu)榭稍谌嵝誀顟B(tài)與防護(hù)狀態(tài)之間按需切換的動態(tài)變量。

作為一項(xiàng)概念驗(yàn)證工作，目前這套基于液晶彈性體（LCE）的驅(qū)動方案，確實(shí)存在響應(yīng)速度偏慢（秒級）、材料制備復(fù)雜等局限，距離實(shí)際防護(hù)所需的響應(yīng)速度和極高疲勞壽命仍有距離。

面對這些問題，朱勇教授團(tuán)隊(duì)展現(xiàn)出務(wù)實(shí)和開闊的工程思維：“我們并不認(rèn)為這一設(shè)計(jì)必須被 LCE 綁定。”

他們認(rèn)為，“LCE 在學(xué)術(shù)驗(yàn)證階段是一個(gè)極佳的‘人工肌肉’載體，能清晰展示‘感知-驅(qū)動-互鎖-保護(hù)’的完整鏈條。但從產(chǎn)業(yè)量產(chǎn)和具體應(yīng)用看，氣動驅(qū)動、形狀記憶合金（SMA）、電熱薄膜、甚至磁驅(qū)動等方案，都有可能替代 LCE。關(guān)鍵取決于具體場景對速度、輸出力、體積和功耗的要求。”

團(tuán)隊(duì)指出，學(xué)術(shù)上的方案強(qiáng)調(diào)功能的集成和驗(yàn)證；而工程上的方案則追求穩(wěn)定、低成本和易于制造。MIPM 更核心的貢獻(xiàn)在于，它提供了一套可以遷移到不同材料體系和制造工藝中的“幾何設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”。

這套系統(tǒng)并不局限于某一種驅(qū)動方式或某一個(gè)尺寸范圍。從微觀到宏觀，許多系統(tǒng)都面臨類似的需求：既要柔軟、可變形、能適應(yīng)環(huán)境，又要在關(guān)鍵時(shí)刻具備支撐與防護(hù)能力。小到血管內(nèi)的柔性醫(yī)療器械，需要在復(fù)雜彎曲通道中前進(jìn)、避免損傷血管壁；大到空間飛行器或深空探測設(shè)備，也可能需要可展開、可變形，同時(shí)在沖擊、振動或極端環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)可靠。

在團(tuán)隊(duì)最看好的近期落地場景中，面向復(fù)雜或危險(xiǎn)環(huán)境的小型搜救機(jī)器人和探索機(jī)器人排在首位。這類系統(tǒng)需要足夠柔軟，以穿過亂石和縫隙，同時(shí)又極易遭遇尖銳物或塌方撞擊，MIPM可以作為保護(hù)罩，包裹其傳感器、電池和通信模塊等脆弱載荷，在受到外部威脅時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉雷o(hù)構(gòu)型。

從三帶犰狳身上提取的外骨骼-內(nèi)骨骼-肌肉協(xié)同邏輯，只是朱勇團(tuán)隊(duì)仿生探索的一步。自然界是一個(gè)經(jīng)歷了數(shù)億年篩選的龐大靈感寶庫。下一步，團(tuán)隊(duì)還希望探索棘皮動物、軟體動物和一些昆蟲結(jié)構(gòu)在局部剛度調(diào)控、可逆形態(tài)保持和表面摩擦調(diào)節(jié)方面的機(jī)制，圍繞不同應(yīng)用建立一系列仿生軟機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

MIPM 的出現(xiàn)再次啟示我們，在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，與其在柔軟和堅(jiān)固之間做痛苦的折中，不如構(gòu)建一套精妙的機(jī)制，讓機(jī)器和材料在需要柔軟時(shí)柔軟，在需要堅(jiān)硬時(shí)堅(jiān)硬。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed2516

排版：胡莉花

注：封面/首圖由 AI 輔助生成