清華團隊Science子刊重磅！給機器人造了副“肌肉骨骼”，能變身、可負重，會爬會游還會滑翔

人為什么能用同一副身體，完成走路、奔跑、游泳和搬東西？關鍵藏在肌肉與骨骼的配合里。

骨骼決定身體形態，肌肉提供運動所需的力量。面對不同任務，肌肉還會改變軟硬和發力節奏：跑步時追求速度與幅度，負重時則需要更高的剛度。

機器人則很難擁有這種靈活性。

為了改變身體形態，變體機器人通常需要舵機或專門的重構機構；為了真正運動，還要再增加電機和驅動器。功能越多，結構越復雜。到了厘米級、克級微型機器人上，每增加一個部件，都在擠占有限的電池和負載空間。

近日，清華大學與北京航空航天大學團隊受生物肌肉骨骼系統啟發，開發出一種形態可編程、動力學可調的人造“肌骨致動器”。

基于這套系統，團隊造出兩款機器人：一款重量僅1.8克，可以在四足與人形狀態之間切換；另一款仿照蜜袋鼯設計，重量6.4克，能在地面爬行、攜帶物體、水面游動，還能展開翼膜滑翔。

相關論文《Musculoskeletal actuators with programmable morphology and tunable dynamics》登權威期刊《Science Advances》。

論文第一作者為清華大學航天航空學院徐世威，張一慧教授為通訊作者。研究團隊來自清華大學工程力學系應用力學實驗室、柔性電子技術國家級重點實驗室、清華大學Mechano-X研究院以及北京航空航天大學能源與動力工程學院。

01.

骨骼負責“變身”，肌肉負責“發力”

這套致動器由兩個部分串聯組成：可改變形態的骨骼模塊，以及剛度可調的肌肉模塊。

骨骼模塊使用液晶彈性體和形狀記憶聚合物。通電加熱后，材料帶動結構彎曲；停止加熱并冷卻后，骨骼重新變硬，將身體固定在需要的形態。

因此，機器人可以連續改變身體形狀，也可以停留在多個中間構型。

肌肉模塊由多層聚二甲基硅氧烷基介電彈性體、柔性電極和電熱調剛度的形狀記憶聚合物層組成。其中，介電彈性體負責產生快速、周期性的動作；形狀記憶聚合物負責調節肌肉整體剛度。兩套電信號可以獨立控制，研究人員可以分別改變骨骼形態、肌肉軟硬、振動頻率和驅動幅度。

簡單來說，骨骼決定“身體長什么樣”，肌肉決定“身體怎樣動”。

實驗顯示，當肌肉模塊的電熱電壓由0伏增加至5.5伏時，材料逐漸軟化，其共振頻率由64赫茲下降至14赫茲，共振彎曲角則由約2.5°提高至75°。

這組數據對應著一個更直觀的結果：肌肉變軟，動作幅度更大；肌肉變硬，運動幅度減小，承載與傳力能力更強。

這也意味著，機器人可以根據任務重新分配性能。需要快速移動時，把肌肉調軟；需要搬運物體時，再切換至高剛度狀態。

更進一步，通過改變骨骼和肌肉模塊的數量、連接方式及空間布局，團隊還構建了孔雀、啄木鳥和蝎子等仿生致動器，分別完成展尾、啄擊、整尾擺動和尾尖振動等動作。

因此，這項研究展示的不只是一種驅動材料，也是一套可以組合、擴展的人工肌骨模塊。

模塊層面的能力建立后，團隊進一步把這套“肌肉骨骼”裝進機器人，驗證身體形態改變后，肢體功能能否隨之重組。

02.

趴下是四足，站起來變人形

答案首先出現在一款質量僅1.8克的微型機器人上。

在這款機器人上，這套肌骨系統展示了一個有意思的能力：通過改變身體形態，重新分配肢體功能——它最初接近一塊平面結構。接到控制信號后，它可以先變成四足機器人，再進一步站起，切換為人形狀態。

四足構型下，機器人的前后腿交替振動，推動身體向前爬行。通過調節腿部骨骼的彎曲程度，它還能主動壓低身體，從僅5毫米高的狹窄通道中穿過。

低剛度狀態下，機器人最高運動速度可達每秒3個身長；需要搬運時，它可以把肌肉調硬。高剛度狀態下，這個1.8克的小家伙能夠攜帶6克負載，超過自身質量的3倍。

當機器人進一步站起，原本用于支撐和爬行的前肢離開地面，可以用來操作物體。

研究人員在其前肢末端增加了夾爪模塊。機器人能夠彎腰抓起一個紙球，重新站立，再通過擺臂和張開夾爪將紙球拋出去。

從四足到人形，改變的不只是外觀。

四足狀態擁有更多支撐點，適合快速移動和穿越低矮空間；站立之后，機器人犧牲部分穩定性，換來一對可以抓取和搬運的前肢。它開始根據任務，重新安排自己的身體。

03.

6.4克“機器蜜袋鼯”，一張翼膜橫跨水陸空

為了讓機器人擺脫線纜，團隊還研制出一款仿蜜袋鼯無線微型機器人。

這款機器人收攏后的尺寸約為5厘米×2厘米×1.5厘米，總質量6.4克。它的身體里集成了肌肉驅動模塊、可展開翼膜、可變形載物艙、微型鋰電池和無線控制電路。

其中，控制電路質量僅1.04克，可以將3.7伏鋰電池的輸入轉換為最高約9.5千伏的低至中頻高壓波形，為介電彈性體提供驅動信號。通過紅外遙控，研究人員可以分別調節機器人的骨骼形態、肌肉剛度和運動頻率。

收攏狀態下，機器人利用肌肉振動和腳部的各向異性摩擦在地面前進，最高速度達到每秒1.1個身長，并能爬上20°斜坡。

展開載物艙后，它可以包裹紙夾、塑料管和泡沫塊等不同形狀的物體。肌肉處于高剛度狀態時，最大負載達到3.6克。

繼續展開兩側翼膜，機器人可以漂浮在水或硅油表面，并依靠振動向前運動。在水面上，其最高速度約為每秒0.37個身長。

同一張翼膜到了空中，又變成一副滑翔翼。

機器人從高處下落時，向上展開的翼膜能夠產生升力，幫助其調整姿態、降低下落速度并平緩著陸。落地后，機器人無需人工重新組裝，可以繼續切換為地面運動狀態。

那么，完成這些形態切換和運動任務，需要消耗多少能量？在能耗方面，打開載物艙和展開翼膜所需的能量，分別低于電池容量的3.5%。在肌肉模塊高功耗工作的條件下，系統保守連續運行時間約為20分鐘。

04.

機器人開始根據任務“重新長身體”

當爬、搬、游、滑翔都被壓進一個6.4克的身體里，這項研究真正想回答的問題也浮現出來：微型機器人如何通過重構自身，以更少的執行器完成更多任務？

大型機器人可以通過增加電機、舵機和機械關節擴展功能。尺寸縮小到幾厘米、質量壓縮到幾克后，這條路會越來越難走。每增加一個執行器，機器人都要付出重量、能源和控制資源。

肌骨致動器給出的思路，是讓骨骼負責改變和鎖定形態，讓肌肉負責快速運動和剛度調節。同一套驅動系統，可以根據任務在速度、動作幅度、輸出力和承載能力之間切換。

目前，這套系統仍處于研究驗證階段。

骨骼變形依賴電熱過程，速度相對較慢；介電彈性體的長期可靠性和電絕緣性能仍需提升；機載高壓電路的輸出范圍也有進一步優化空間。無線機器人主要依靠人工遙控，尚未形成完整的環境感知與自主決策閉環。

研究團隊也提出，未來可進一步集成慣性、光學和壓力等傳感器，讓機器人根據自身狀態和外部環境，主動選擇身體構型、肌肉剛度與運動頻率。

到那時，微型機器人的環境適應能力，或許不再取決于它預裝了多少種動作。它可以現場決定，自己該趴下趕路、站起來工作，還是展開翼膜，滑向下一個落腳點。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg4524