西湖大学研发昆虫尺度软体机器人：能爬能游又抗摔，“机器小强”为什么强

“机器小强”与卡通昆虫形象对比图。受访者供图

它被扔进草丛，或匍匐前进，或旋转跳跃；它被扔进水里，快速调整姿态，化身为鱼；那天，它又从108米高的标志塔顶掉落，重重地摔在地上，却在片刻后重新起身蹦跶……

在大众印象中，传统机器人通常会有坚硬的金属或硬质塑料骨架、精密运转的齿轮电机。最近，西湖大学工学院机械工程讲席教授姜汉卿实验室却打破常规认知，通过一种全新的电磁弹性体驱动机制，“养”出了一群“打不死的小强”——

它的学名叫“昆虫尺度的软体机器人”（以下简称“机器小强”），个头接近大家所熟知的蟑螂“小强”，身长不足2厘米，体重不足2克。更重要的是，它不仅跟“小强”一样行动矫健，能在复杂的野外环境自主爬行、跳跃、游泳，还比“小强”更坚强。

据悉，这是国际上首个能在复杂户外环境中实现完全自主运动的昆虫尺度软体机器人，为未来小型化、无线化、高性能的智能机器人系统提供了全新解决方案。相关成果日前已发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

没有电机和齿轮，也能行动自如

在自然界，“小强”的运动技能不算出挑。但让机器人像“小强”这么灵动小巧，仍是一个难题。

“自然界的昆虫靠肌肉高效收缩爆发出惊人力量，但人类此前却难以复刻这一奇迹。”姜汉卿解释，传统机器人依赖笨重的电机和复杂零件，这类系统需要齿轮、轴承等大量复杂的结构零件，根本无法塞进“小强”般小巧的身体里。而曾被寄予厚望的人工肌肉，又往往需要高压电、强磁场或激光照射驱动，难以在户外自由施展。

在模仿昆虫的比拼中，软体机器人有着天然优势。最主要的原因是，它们摒弃了刚硬的外壳，采用硅橡胶、凝胶乃至生物组织等柔软材料，身体能够更自由地弯曲、收缩等，这让它们更适应复杂环境。

但如何让一个没有电机和齿轮的柔软躯体，能够像生命体一样自如运动？姜汉卿团队从昆虫肌肉的伸缩机制中获得灵感，创造出全新的电磁弹性体驱动机制。这个系统巧妙结合了磁力与弹性：利用弹性力和磁力的平衡，来实现机器人类似肌肉收缩的运动。他们还设计了一个精巧的驱动系统，将其塞进了“机器小强”不到2厘米长的小身板里。

记者在现场看到，“机器小强”的驱动系统分为两部分，下方是嵌入软磁铁的线圈，上方是硬磁铁，硅胶外壳可以产生弹力。通电后，“机器小强”体内仿佛展开了一场“拉锯战”：一边是橡胶般的弹性体在努力拉伸；另一边是磁铁之间的吸引力在不断牵引，把弹性体“拉近”。通过调节电流大小，实现对吸力的动态调控，可以控制收缩的幅度和速度。

“磁吸+弹性”的巧妙结合，在高输出力、大形变与低电压驱动之间实现了有机统一，让“机器小强”只需不到4伏的低电压，便能让自身像肌肉般高效收缩，爆发出高达210牛/千克的力量和60%的形变，性能远超现有技术。

蠕动式爬行机器人在户外工作。受访者供图

形态多样，“机器小强”应用前景丰富

姜汉卿团队的这项突破性技术，让一群“机器小强”被赋予多种运动模式，使其得以真正走出实验室，在复杂户外环境中大显身手。

“新一代软体机器人能耗低，跟小LED灯差不多。当它背着一枚8毫米长、4毫米厚、容量只有20毫安的锂离子电池时，可以持续工作一个小时。”姜汉卿说，“机器小强”们甚至能搭载传感器变身环境侦察兵，将运动、感知与极限抗冲击能力完美融合于方寸之间。

目前，姜汉卿实验室里已有几种不同功能的“机器小强”，各有所长、各司其职。

例如，蠕动式爬行式“机器小强”从108米高空自由落体后，竟能毫发无伤地继续在尘土中匍匐前进。这样的抗摔打本领在地震等重大自然灾害中，有着独特价值。当它们被无人机投放到自然灾害发生地，可以快速进入废墟深处，寻找被困人员位置并发出信号，成为生命搜救的“先锋”。

再例如，自驱动游泳式“机器小强”有在自然水体中自主巡游超1小时的本领。未来，小巧灵活的它们很可能会成为检测水下环境或监测污染的一把好手。

除此之外，自驱动跳跃式“机器小强”是目前已知最小的完全自主跳跃软体机器人，可以在崎岖地形中连续起跳，有望进一步实现在复杂地形上感知环境、自主移动、躲进缝隙等。

在姜汉卿看来，软体机器人虽然充满想象力，但目前仍处在成长的青春期。例如，软体机器人的整个身体都能变形，这一特性带来了灵活性，也让运动控制和传感感知变得格外复杂。如何让他们既能像生物一样顺应环境，又能稳定地执行任务，已成为软体机器人从实验室原型走向真正自主化和工程化应用所面临的一大难题。

眼下，姜汉卿就正带领团队向更高目标迈进。未来，这些“机器小强”将挑战两栖运动与3D跨障能力，成为人类执行一系列科学任务、探索极端环境的得力助手。“或许在不久的将来，当紧急情况发生时，第一批抵达现场的‘使者’，就是这些蹦蹦跳跳、从天而降的‘机器小强’。”

或许，我们还可以大胆地畅想更远的未来：随着新材料和智能算法的发展，未来的软体机器人本身也许就能感知、思考与反应，逐渐进化为一种“柔软的智能生命”。

（潮新闻）