中国学者用上万个微气泡造出“魔法肌肉”，用声波让机器人动起来

一百多年前，清末著名科学家徐寿发表声学论文《考证律吕说》，纠正了伯努利定律的错误，引起了国际学术界的注意。这篇论文后来被翻译成英文，于 1881 年在 Nature 杂志上发表，成为可考证的中国科学家在 Nature 上发表的第一篇论文。

一百多年后，又一篇出自中国青年学者之手的声学论文登上 Nature——2025 年 10 月 29 日，由瑞士苏黎世联邦理工学院施展博士和张志远博士担任共同一作的研究论文登上 Nature，这也是时隔将近十年超声驱动机器人相关研究再次得到 Nature 的青睐。

图 | 相关论文（来源：https://www.nature.com/articles/s41586）

图 | 张志远和施展（来源：资料图）

研究中，他们和合作者首次将超声驱动从微纳机器人扩展到介观软体机器人，成功开发出一种含有微气泡的、可以通过超声波控制的新型人工肌肉。他们解锁了控制人工肌肉多模态变形的能力，为无线驱动提供了一种富有潜力的方案，将为软体机器人、可穿戴技术、触觉技术和生物医学等领域的发展带来新机会。

（来源：施展等人/瑞士苏黎世联邦理工学院）

“毫发无损”的斑马鱼仔鱼

为了展示所设计微泡人工肌肉的柔顺性、可编程性和生物相容性，他们打造了三个实验案例。

在第一个案例中，他们设计了一种软体抓手，它由几个大小均匀的微泡阵列人工肌肉组成。每个抓手浸入水中时可以捕获大约 10000-20000 个微泡。在受到超声刺激后，抓手在 100 毫秒内抓住了一只斑马鱼仔鱼（下称“仔鱼”）。当超声刺激停止后，幼鱼很容易地游走了。

此前，这类抓手一般都比较硬，很难在无损的情况下有效抓起比较柔软的生物 (水母和一些小型模式动物)。而本次抓手之所以能够实现这一能力是因为：当使用超声波进行激活的时候，由人工肌肉组成的抓手就会向内收缩，产生毫牛级别的输出力，从而能够抓住斑马鱼的仔鱼；当关闭超声波的时候，抓手会自然松开。

值得注意的是，仔鱼可以自由地游出，这说明人工肌肉的力度非常合适，不会对仔鱼造成热损伤或超声损伤。“当看到这条只有几毫米长的仔鱼在你面前被稳稳抓住，然后又不给它带来任何伤害，以至于它能轻松地游走，这个场景是令人兴奋的！”张志远告诉 DeepTech。

在第二个案例中，他们展示了一款机器人皮肤。相关实验里包含一个换能器和一片茶叶，中间放置着机器人皮肤。当打开超声的时候，皮肤会自动贴在茶叶上，由于它会产生反作用力，所以就会带着茶叶进行摆动。值得一提的是，这款机器人皮肤非常薄，贴在物体上几乎不会带来体积或重量的增加。

（来源：施展等人/苏黎世联邦理工学院）

在第三个案例中，他们打造出一款仿生应用，即通过模仿黄貂鱼做出一个仿生游动机器人。该机器人拥有两片对称的鱼鳍，每片鱼鳍上都有不同尺寸的气泡阵列。在扫频激活时，凭借快速的响应能力，机器人可以模仿黄貂鱼鱼鳍的波动来进行推进。据了解，为了做成这款机器人，他们累计设计了 6 个样式、制作了 30 个模板和 60 余片样品，最终才做成了论文中所展示的应用场景。

适形生物贴片

为了展示本次成果在生物医疗中的应用潜力，他们展示了一种心脏贴片。当超声波激活的时候，人工肌肉就可以适形的贴在猪的离体心脏上。

（来源：施展等人/苏黎世联邦理工学院）

实验结果显示，该心脏贴片的贴附时间长达 1 小时。直到关闭超声波的时候，心脏贴片才会从心脏上面脱离。这意味着，它具有较好的自由度和灵活度，并能以任意方式贴在任何物体的表面，未来贴在人体上不会带来不适感，而且还可以进行远程驱动。比如，通过选择性地激活某一块，可以实现局部的力刺激，从而可以进行局部使用比如药物释放和应力刺激等。

心脏贴片的打造花了施展不少精力，施展告诉 DeepTech：“心脏贴片是一个厚度在 100 微米左右的薄膜，由于薄膜和晶圆贴附得比较紧密，因此需要慢慢地手动撕开。有时已经撕了一两小时之久，结果一不小心撕破了，这时所有程序都得重新来过。我也是重复了多次之后才终于做成。”

未来将本次成果用于人体时还可能是这样的：患者将载着药物的微泡人工肌肉吃进肚子，人工肌肉会在胃液的帮助之下实现溶解和释放。在超声的作用之下，人造肌肉会继续运动，最终被贴到一个固定位置。当然，在打造人造肌肉时也可以选择 72 小时可降解的材料，这样一来当其将所有药物释放完毕之后，人体就会将其自动降解或排出体外。

超声波与软体机器人的结合

事实上，此前张志远和施展已经开展过不少声学相关研究。张志远本人具有多年软体机器人研究背景，在项目初期探索中，他发现此前并未有人将超声波和软体机器人进行结合。这主要是因为软材料在超声波的激励之下，不仅存在不同的声学匹配参数，而且其尺寸对于超声波来说较为硕大。另一方面，声波与软物质的交互动力学关系也极为复杂而尚未充分被探索。

已有的声波驱动主要面向微米级别的机器人，所谓的“机器人”往往是一个气泡、一个粒子或一个细胞。气泡是一个非常常用的超声波驱动单元，单个气泡通过振荡来产生射流，进而让微米级机器人实现向前运动。这种气泡机器人比较简单，不仅没有很好的控制力，也无法进行很好的扩展。

为此，张志远思考了以下三个问题：超声波和软体机器人该如何结合？超声波如何驱动一个软体机器人？把气泡扩展到不同的尺度之上会怎样？带着这些问题，张志远和施展开展了将声波和软体机器人进行结合的研究。

研究伊始，需要进行参数设计和实验设计。一开始，张志远带着一名本科生 Dan Schoenenberger 耗时半年之久，探索了该选择怎样的制造方法以及如何确定人工肌肉的厚度和气泡体积。

后来，该本科生在毕业之后离开课题组，施展加入本次课题，并和张志远进行了实验方法升级。即改用微纳加工来做模具，以及通过光刻技术来图案化微柱，这样一来不仅能够实现较高的精度，还能打造出尺寸很小的气泡。

（来源：施展等人/瑞士苏黎世联邦理工学院）

接着，他们又引入旋涂技术，借此做出极薄的人工肌肉。基于此，他们开始进行人工肌肉的表征和应用验证，并展示了上述三个案例。

能和临床超声技术进行无缝衔接

中等强度的超声对于人体没有任何伤害，在现实生活中人们按需去做 B 超已经成为常态。尽管超声已被深度用于人类生活，但是此前很少有人使用超声来驱动机器人。

本次成果不仅让超声成功驱动了更大尺寸的材料，还真正用在了动物实验上。相比磁控机器人来说，本次成果的好处在于无需另外搭建一套设备来进行驱动。因此，此次成果所使用的超声波技术可以和临床超声技术进行无缝衔接，即能和目前医院常用的超声波探头进行结合。

另外，本次成果中的气泡既可以作为驱动单元，也可以作为成像单元。相比其他材料，气泡具有明显的声学对比效果。医院 B 超室平时使用的造影剂其实就是气泡，而本次成果能让气泡实现更加均匀的排列，因为当气泡稍微出现变形，就能通过彩超或多普勒观察到它的变化。

另据悉，未来也可以使用 AI 来辅助设计不同气泡的组别，甚至可以设置几十组以上的气泡组别。而对于气泡大小的排列乃至于机器人的外形设计，也可以基于 AI 进行设计。至于超声波的频率，更是可以通过 AI 去进行更加灵活的选择范围尝试，这将会远远超出 10KHz 到 100KHz 的真人选择范围。

在后续计划上：目前在美国进行博士后研究的张志远计划将微流控以及多层结构和本次成果加以结合；而目前已经回到中国在西湖大学做博士后的施展则计划基于本次的离体生物实验，开展基于活体的生物实验，并将通过产业研的结合让成果实现落地，最终做成人体可用的医疗装备和手术器件。

参考资料：

Shi Z†, Zhang Z†, Schnermann J, Neuhauss SCF, Nama N, Wittkowski R, Ahmed D: Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature (2025). doi: 10.1038/s41586-025-09650-3

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09650-3

排版：刘雅坤