张一慧组今日Nat. Mach. Intell.: 具有连续三维变形和锁定能力的可重构机器

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近日，清华大学张一慧教授课题组在Nature Machine Intelligence上以研究论文形式在线发表了一篇题为“

Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking

形状重构能力可赋予机器人丰富多样的运动模式，极大提升机器人的环境适应能力。当前，这类机器人主要通过两种方式来实现形态改变：一是采用舵机等机械结构精确重构；二是依靠智能材料制成的、兼具变形和锁定能力的变刚度驱动器。然而，减小电机尺寸与质量并实现其复杂变形能力颇具挑战。现有驱动器在小尺度（如< 5 cm）下，难以同时实现连续的形状变化与构型锁定，也难以达成同源且解耦的变形与锁定控制，严重制约了多模式机器人向微型化与无线化发展。

该课题组采用材料与结构协同设计的策略，通过结合具有较大热致收缩变形能力的液晶弹性体（LCE）和呈现显著变刚度特性（2-3个数量级）的形状记忆聚合物（SMP），提出了一种具有连续形状变化和构型锁定能力的新型薄膜形电热响应驱动器的设计概念（如图1所示）。

图1. 驱动器的连续变形和锁定示意图

如图2a所示，该驱动器由LCE和SMP条带、加热电极层（Cu；2 μm）、薄PI层（25 μm）、PDMS层（125 μm）和厚PI层（250 μm）组成（图2a）。PDMS层可提升薄PI层的柔顺性，又使不可拉伸的PI层更趋近复合材料中性层，有效规避层间脱粘问题。刚度较大的厚PI层置于两端，以保障驱动模块（LCE/Cu/PI/PDMS）与固形模块（SMP/Cu/PI/PDMS）的同步变形。LCE与SMP条带之间的空气间隙（air gap）确保驱动模块和固形模块间不存在热串扰问题。对含LCE的驱动模块和含SMP的固形模块同时加热时，驱动模块带动变软的固形模块进行弯曲变形，使驱动器变形至驱动状态。随后，断开固形模块的驱动电压，待SMP冷却至玻璃化温度（Tg）以下，固形模块刚度增大。此时，再断开驱动模块的电压，使其开始冷却。在此过程中，由于驱动模块的驱动力（LCE的形状恢复力）不足以克服固形模块的巨大刚度，因此驱动器的变形构型被锁住，处于锁定状态。

图2. (a) 驱动器的构成与变形原理；（b) 采用的LCE和SMP的热响应特性

对于该驱动器，为了实现良好的变形与锁定效果，需要进行材料和结构的协同优化设计。核心设计目标有两个，一是进行LCE和SMP材料的温度响应特性设计（图2b）和空气间隙尺寸设计，以实现较好的热隔离；二是进行LCE和SMP条带厚度的合理设计（图3a），使驱动器具备较大的驱动变形效果和良好的形状锁定效果。该驱动器的最终变形角度可通过调节LCE条带的预拉伸应变及控制LCE条带的驱动电压来实现有效调控（图3b）。此外，该驱动器的变形响应速度也可以通过增大驱动电压来进行提升（图3c）。

图3. (a) 驱动器的驱动状态与锁定状态变形角度与SMP厚度的关系；（b) 驱动器最终变形角度与LCE预拉伸应变和其驱动电压的关系；（c) 驱动器在不同电压下的变形速度对比

利用LCE的驱动变形量随温度变化的特性，通过选择性地调节LCE和SMP条带的驱动电压，可实现该驱动器的连续变形与锁定。如图4所示，驱动器从初始状态开始，依次变形至锁定状态I、II、III、IV以及V（变形角度逐渐增大）。随后，驱动器依次变形至锁定状态III和I，最后恢复初始平面构型。

图4. 驱动器的连续变形与锁定过程

相比于柔软的驱动状态，处于锁定状态下的驱动器（0.04 g）具有较高的承载能力，可稳定承载5 g砝码的重量（图5）。

图5. 驱动器的变刚度特性

与基于其它驱动机制的变刚度驱动器相比，该驱动器具有极小的尺寸和最大的变形角度（4 mm-190°, 10 mm-340°, 22 mm-405°, 40 mm-630°, 50 mm-745°）。此外，在该尺寸范围内，传统电机等机械结构难以达到与本变刚度驱动器相当的变形幅度，且质量偏重，灵活性与适配性欠佳。

图6.变刚度驱动器性能对比

通过设计LCE中的液晶分子取向以及驱动器的几何构型（LCE图案、加热电极图案等），可制备具有复杂变形模式的薄膜和块体单胞，如图7所示。五种典型的薄膜单胞S-B、S-BT、S-F、S-DB、S-DBT分别具有弯曲、弯曲和扭转耦合、折叠、双向弯曲以及弯曲和双向扭转耦合变形模式；五种典型的块体单胞B-A、B-T、B-Q、B-P、B-H可分别变形为圆弧、三角形、四边形、五边形和六边形。

图7.具有复杂重构能力的驱动器单胞。比例尺为5 mm

受乐高积木启发，课题组提出了一种“搭积木”似的构建方法，可制备具有复杂重构能力的驱动器（图8）。具体而言，首先将目标构型（即海龟）分解为具有特定几何构型的单胞，即头、腿、龟壳和尾巴，并将其转化成单胞库中存在的变形后三维驱动器构型，随后逆向设计出相应的驱动器平面前驱体。将所得的驱动器前驱体进行装配后，并对多个驱动器单胞进行选择性的变形与锁定控制，可实现其复杂变形效果。例如先进行龟壳的展开，再实现头和尾巴的变形，即可获得海龟的游泳姿态（构型I）；进一步驱动腿部的变形，可实现其它姿态下（构型II）的海龟构型。

图8.海龟驱动器的设计与制备。比例尺为10 mm

图9展示了一个能够在汽车构型和机器人构型之间自由切换的厘米级“变形金刚”驱动器。

图9. “变形金刚”驱动器的变形过程

该驱动器具有优异的变形和锁定能力以及较强的承载特性，可作为可重构外骨骼，并与各种功能部件（如LED、传感器、电机等）集成，进而构建可重构器件系统。图10展示了两款具有强大变形重构能力的三维显示器件，第一款器件模拟了花朵的变形过程；第二款器件则展示了从蝌蚪到青蛙的变态发育过程。

图10. 可重构显示器件

通过构建具有复杂变形模式的微型外骨骼，并集成微型电机等部件，课题组设计并制备了一款多功能微型轮式机器人（图11a）。该机器人具有极小的尺寸和质量（状态I：4 cm，2.5 g），且可在“跑车”、“飞车”和“货车”等多种复杂构型间自由切换（图11b）。

图11. (a) 微型轮式机器人组成示意图；（b) 机器人在多种构型间的变形重构。比例尺为10 mm

如图12所示，机器人首先在高台上由初始构型变形为“跑车”（构型I），并快速前进至悬崖边缘。随后，通过张开翅膀切换至“飞车”（构型II），机器人可进行滑翔以平稳落地。最后，机器人收回翅膀，打开车厢，变形至“货车”（构型III），并在装载货物后快速前进。此外，通过在该微型机器人车厢前部集成微型摄像头，可实现对环境的有效探测（图13）。

图12. 微型轮式机器人的典型运动场景

图13. 微型轮式机器人的环境探测

陆空两栖机器人具有极强的环境适应能力，展现出了巨大的应用价值，然而其在微型化与高性能融合方面存在技术瓶颈。课题组基于所开发的薄膜形电热驱动器，构建了两类关键可重构部件（Actuator I和II）（图14），进而设计制备了微型陆空两栖机器人（体长9 cm；质量25 g）。其中，红外遥控模块可以控制两对驱动器的变形以及四个电机的独立运行或停转，以实现机器人在四种典型的工作状态间的转变（构型I-IV），进而完成地面模式（构型II和III）和空中模式（构型I和IV）之间的切换。

图14. 机器人的构成及其在多种工作状态间的切换。比例尺为3 cm

通过在多种工作状态间的自由切换，该机器人可实现在复杂室内环境中的运动。图15展示了一个典型的运动场景，机器人首先从构型I切换至构型II，进而穿越树洞；随后机器人完成从构型II到构型III的切换，平稳驶过倾角为35°的楔形槽，并行驶到停机坪上；最后，机器人从构型III切换至构型IV，飞过乱石堆。

图15. 微型陆空两栖机器人在室内复杂场景中的运动

机器人也可以实现在复杂户外环境中的运动，图16展示了三个典型的场景。在场景1中，机器人首先以构型I飞过石头堆并在树枝中穿行，随后平稳降落；最后在地面上切换至构型II，进而在地面上行驶。在场景2中，机器人首先以构型II从石砖地面行驶到土路上，随后切换至构型IV，并按照特定的轨迹飞过石头堆。在场景3中，机器人首先以构型II在砖头地面上前进，随后切换至构型IV，以飞跃台阶。

图16. 微型陆空两栖机器人在室外复杂场景中的运动

在地面运动模式下，机器人在多种材质上（绒布、卡纸和草地）均具有较快的运动速度（图17和图18a）。此外，机器人的构型切换具有较低的能耗（图18b），对于从构型I到构型II、构型II到构型III以及构型III到构型IV这三个典型的切换过程，能耗分别占电池容量（3.7 V，220 mAh）的1.67%、1.33%和0.4%。与其它代表性陆空机器人相比（图18c），该机器人具有最小的质量（25 g）、最小的绝对尺寸（9 cm × 9 cm）以及最快的地面运动速度（每秒18.2个身长）。

图 17. 机器人在不同材质地面上的快速运动

图18. (a) 机器人的地面运动速度；（b) 机器人的变形能耗分析；（c) 与其他机器人的对比

综上，本工作基于新颖的材料-结构协同设计理念以及受乐高积木启发的设计策略，制备了几何形状可定制、具有连续变形和锁定特性的小尺度驱动器，这是以往无法实现的。该驱动器可作为功能多样的外骨骼，应用于小型变形机器的开发，如可重构三维显示器件、多功能微型轮式机器人以及微型陆空两栖机器人。其中，所研发的微型陆空两栖机器人同时具备重量轻（25 g）、尺寸小（9 cm ×9 cm）、陆地移动速度快（每秒18.2个身长）以及对复杂非结构化环境强大的适应能力等特点，而这些特点的结合在以前是难以达成的。

清华大学张一慧教授为论文通讯作者，清华大学航天航空学院2020级博士生徐世威为论文第一作者。论文作者还包括还包括航天航空学院2021级博士生胡笑男、2024级博士生臧传奇、2023级博士生羊佑舟、2022级博士生赖禹辰、2018级博士生邬军，航天航空学院博士后杨若曦、肖越、刘文博、庞文博、刘卿，柔电国重副研究员柏韧恒，清华大学机械工程系长聘副教授赵慧婵，北京航空航天大学教授文力，以及北京航空航天大学博士生田博丞和李磊。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金项目、科学探索奖、北京市自然科学基金、清华大学国强研究院基金等的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s42256-025-01028-4

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