机器人也可以是一滩“黏糊糊的液体”？科幻作品里的“新物种”其实离我们并不遥远 | 科学讲坛——李振坤

机器人一定是钢铁之躯吗？

它既可以流动，也可以变形，

就像单细胞生物一样。

李振坤· 北京交通大学机电学院副教授

格致校园第57期 | 2025年7月25日 北京

各位小朋友们、大朋友们好。我今天演讲的题目是《从变形金刚到流变机器人》。

首先问大家一个问题：你们印象里的机器人是什么样子的？是不是很多人和我一样，一提到机器人，就会想起变形金刚里擎天柱的形象？

机器人一定是“钢铁之躯”吗

那么我再问大家一个问题：机器人一定是钢铁之躯吗？我们看到的这个四足机器人，也是由钢铁制成的。

这个瓶子里边的液体 ， 也是一种机器人 。 大家能想象它是怎么动的吗 ？ 实际上 ， 这个机器人 就是我们实验室发明的一类 新型 机器人 ，我 们给它命名为流变机器人 。 顾名思义 ，它既可以流动，也可以变形，而且是在流动中进行变形，就像单细胞生物一样。

我和大家一样，从小就是机器人迷。在中学的时候，我已经掌握了一些机器人的基本设计技能，还有一些编程技术。

我上学的那一年，发生了一件举国悲痛的事件，就是汶川大地震。当时在电视画面上，看到很多救援人员在废墟面前，大家非常焦急。但是，我们只能把一块一块的预制板搬开，去寻找伤员。因为一旦我们用了工程机械，造成二次坍塌，就会对里面的被困人员造成严重的生命危险。

当时我就想到，能不能做一种像虫子一样的机器人，先于救援人员钻进废墟里面，找到被困人员，给他们送去必要的水和药物。于是，我用自己有限的知识，设计出了这样的一个机器人原型。

这个机器人是像虫子一样多节的结构，采用了蠕动的形式——最前面一节收缩，然后传递给下一节。那么，节跟节之间的连接就很重要，它需要有一定的柔性。

这个启发来源于一种按动式的圆珠笔，里面有一个核心元件，当你把圆珠笔拆开，是一根弹簧。当时我就觉得弹簧很神奇，它非常有柔性。

我用四根弹簧把节跟节连接在一起，当我牵动不同的弹簧组合的时候，比如说牵动右边的两根弹簧，机器人就会转向。当时就用这样简单的一个结构，初步实现了这个运动。

但是这个机器人，因为大部分用的都是刚性材料，虽然弹簧有一定的柔性，但其经过压缩之后突然地释放，也是很僵硬的，灵活性严重不足，所以没有真正应用于这种场合。

我也一直在思考，怎么样能够改进它？直到我在美国航空航天局（NASA）的网站上看到一个用于火星登陆的液体驱动机器人。这个机器人目前还没有实现，它的目标是替代现在我们用的火星车、月球车。

我们知道现在的火星车、月球车都是用钢铁材料制作的，它的重量是相对较重的，这意味着发射成本非常高。而且它用轮式、腿式结构有一个风险——关节很容易被卡住，尤其是在外太空环境非常恶劣的情况下。

如果我们做成一个像小虫子一样的机器人，让它在外太空进行自由探索，有什么优势？它是不是非常柔软、具有适应性？

其实机器人不仅有自由移动的形式——我们叫做特种机器人，还有工业机器人。工业机器人一般又叫机械臂，末端有一些手爪。这是我上大学期间开发的一个应用于煤炭生产，选煤生产线上的机器人。

它主要分为两个模块：一个是大爪子抓取煤块，另一个是手掌剥取煤块。它们的手部都是用刚性材料制作的。在使用的时候，我们会发现，因为煤块形状不规则，也是刚性的，手爪也是刚性的，有一定的概率抓取失败，煤块会脱落、打滑。

当时我想怎么提高 它的 适应性 。 直到我读了博士之后 ， 开启了 4D打印 的科研方向。 我们用 4D打印制作 了 一款 “ 灵巧手 ” —— 这是 2024年我们在中关村论坛上展示的 “ 灵巧手 ” ， 旁边是一个打印机 。

这个打印机制作出的十字形橡胶结构，看起来就是一个普通的橡胶片，但只要施加了磁场，它就可以柔性地去夹持、搬运鸡蛋。

经过前面两个例子，大家是不是已经有了答案：机器人一定是钢铁之躯吗？其实这也是科学家正在关注的问题。《Science Robotics》是机器人领域最著名的专业期刊，它提出了机器人的十大问题，其中前两大问题都是关于机器人的软体化。

更灵活的流变机器人

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第一个问题是机器人的新材料和制造的新范式；第二个问题是生物混合和仿生机器人。这意味着机器人要向多样化转化，从以前单一钢铁制造的这类机器，转化为柔性的、软体的、仿生的对象。

软体机器人最大的优势是什么呢？就是它具有高度的灵活性和很强的环境适应性。我们看到左边的这幅图是一个海星机器人，由哈佛大学最先制造出来。当一辆汽车从它身上轧过的时候，毫发无损。

我们想象一下，如果是一个刚性的机器人，在同样的路面上被汽车轧过，可能已经失去了工作能力，甚至四分五裂了。大家知道右图上的机器人是在哪里应用的吗？准确地说，是在我们中国南海的最深处1万米的海沟。

我们知道，在1万米以下的海底，最难的环境问题就是压力非常大。为什么鱼类能够在海底那么大的压力下生存，而我们人类不能？是因为这些鱼类，已经进化出适应海底环境的身体形态。

因此，来自浙江大学的科学家及团队，就模拟了海底的一种鱼类，叫做狮子鱼。利用这种鱼的特性，设计出了一款全新的软体机器人，去替代那些笨重的深海器。这样一来，只需要一个重量不到1000克的小巧机器人，就可以代替我们人类实现海底探测。

说到软体机器人，我们要制作它，就要有相应的材料。它最典型的、最理想的一类材料，就是我们现在材料科学的前沿——智能材料。

大家知道什么是智能材料吗？实际上智能材料离我们并不远，它来源于仿生概念。我们的生物材料，哪怕是一个单细胞生物，自己的细胞质也具有智能性，能够对外界刺激进行响应。

智能材料就是模仿这样的能力。比如说上面这个图，是一个形状记忆的聚合物，它能够通过温控发生形状的自主变化。那这样的材料，我们可以应用于什么场景呢？你在坐飞机的时候，可以观察一下机翼是不断变化形状的，还是固定不动的？

我们的现代飞行器绝大部分都是固定翼飞行器。但如果我们观察鸟类，尤其是像老鹰这样的善于应用气流的鸟类，我们能看到它的翅膀，在翱翔的时候是不是一直在变换角度？正是由于这样的生物特性，让它能够达到适应气流、利用气流滑翔。

甚至有一种鸟叫做信天翁，在海上随着气流滑翔几公里才振颤一次翅膀，极大降低自身的做功和能耗。如果我们的飞机设计成这样，一方面可以节能，另一方面可以保证安全，遇到极端气流环境可以进行适应。未来这样的飞机机翼，就可以用形状记忆聚合物这样的智能材料制作。

4D打印是软体机器人的未来制造方法，大家听说过3D打印吗？3D打印又被称为增材制造，利用计算机的数字化设计，把要构造的物体设计出来，然后进行切片，一层一层地堆叠制造。

4D打印顾名思义：它多了一个D，就意味着多了一个维度。多的是什么维度呢？有人说是时间，其实也没有问题，所有的变形都是在瞬间发生的。但是更准确地说，多的就是智能材料对外界刺激进行响应的维度。

我们看到左边的埃菲尔铁塔 ， 它可以在外界的刺激下 ， 发生从弯曲到直立这样的变化 。

也有科学家把 4D打印 ， 形象地形容为我们制造方式的变革 ， 就像从猿到人的进化一样 。从 最开始一维的结绳记忆 ， 到现在 4D打印 ， 实际上产生了翻天覆地的变化 。

4D打印将来可以让每一个人设计出有自己创意的物品，你可以很方便地把物品的结构和功能做在一起，用一台机器制造出来。这就是4D打印将带给人们生活方式的改变。

问大家一个问题：刚才我们提到了三项前沿技术——智能材料、4D打印、软体机器人，如果将这三项技术有机整合在一起，会产生什么样的科学新物种？大家有想过吗？对于这个问题，我苦苦思索，最后给出了一个答案，就是“流变机器人”。

流变机器人受到了一个“生物老师”的启发，这个生物就是单细胞生物。我不知道大家有没有在显微镜下观察过单细胞生物，微观的世界非常神奇。很多的单细胞生物都可以自主变形、分裂等等，它们都来源于一类的机理，就是生物的溶胶到凝胶的变化。

▲左： 单细胞生物变形运动基于生物溶胶 - 凝胶转换

右：基于磁控智能材料与 4D 打印的仿阿米巴虫流变机器人（ Amoebot ）

简单地说，单细胞生物身体的某一部分可以控制凝固住不再流动，另一部分反而流动起来，这样它就能够控制自己身体灵活变形，有点像孙悟空的72变。

如果我们用现在的先进材料加上先进制造方法，做出仿单细胞生物机理的机器人，这个机器人可以实现目前为止已知的最灵活的运动形式。它既可以自主运动，还可以像单细胞生物吞噬一样去搬运物体——吞噬一个物体，在某一个地方再释放掉。这对于将来把流变机器人应用于体内治疗很有作用。

大家 有没有看过影视作品 《毒液》 里边的形象 ？ 我当时看完之后印象非常深刻 ， 毒液是一种外星的智能材料 ， 电影里边也把它引申为本身就是有生命的 ， 是一种智能的生命体 。

抛开生命不谈，就说它的特性，我们能不能把它复现出来？这个技术距离我们实际并不遥远。这是实验室里拍摄的真实录像：这样的一团物质可以变换自己的形态，穿过狭小的缝隙，然后又恢复形态，再进行自主的导航、运动。

从形似到神似

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实际上，我们离液体机器人可能并不远了。我们经历了机器人变革的形式：2016年哈佛大学团队做出了世界上第一个纯软体的机器人，是一个章鱼机器人，具有无与伦比的柔软性。但是这个机器人也受限于它的设计，它设计了八条腿，可以自由地变形，但是不能做出超越身体范式的一些变化形态。

我们最理想的柔软形态是什么？就是液体的流动。但是科幻作品里的液体机器人，现在还很难做出来，因为缺少仿生对象，没有“生物老师”，我们无从下手。液体机器人还有一些操控上的问题：如何控制这么大量的液体？

所以，我们先从基础做起，给它构造了一个中间的桥梁，也就是我们提出的流变机器人。我们认为2025年，已经实现了这样的流变机器人原型。它的仿生对象是单细胞的可变形生物，具有极强的变形能力，灵活度很高。

这个概念是2023年我们在一篇科研论文里提出来的。提出之后，我们就要制作出一个原型让大家认可。但当时遇到的第一个问题，就是没有相应的材料。这个材料要实现和单细胞生物一样的生理功能。

大家知道，细胞里面的成分是怎么实现溶胶-凝胶转换的吗？实际上它来源于一个阻塞机制。怎么理解阻塞机制呢？就是生物里面有很多的大分子、蛋白质，如果把这些大分子都阻塞到一起，就像堵车了一样，这时周围的细胞质就不能流动；如果进一步疏通开，它又变成溶胶形态。

▲原生质中的“阻塞”相变机制

就是这样的机制，我们想用无机材料去复现它，要做成一个很复杂的材料体系。当时在我的脑海中构想了很多造型，到底要把它微观设计成什么样的体系？最后我锁定了一种，就像下图显示的形式：中间黑色的柱子，实际上是磁性颗粒在磁场方向下形成的柱体。

光有这个柱子还不够，因为我们要让它稳定下来——当磁场撤去的时候，它会倾倒，不再稳定。我们要在柱子表面加上一层二维材料，并且在不同的柱子之间像打脚手架一样支起来。

这个材料就是我们用到的一类新型二维纳米材料。所谓二维，就是在两个维度上显著高于纳米尺度，另一个维度正好是纳米尺度，非常薄的一层板，把柱子包起来，形成这样的结构。

这个结构怎么形成呢？实际上材料在打印、制造的过程中，用磁场让它自己在微观下“盖房子”形成的，又叫做自组装结构。

我们可以从视频里清晰地看出它的特性：在没有磁场下，它很容易流动；加入磁场后，它会凝固；撤去磁场之后，这个性能得到了保留。所以，我们说它有了“流变记忆”的能力。

有了这 种 材料 ， 我们要进一步制造出流变机器人 ，就 还要有制造方式 。 当时我们做了这样的一 台 4D打印机 ， 可以同时打印两种材料 ： 一个是机器人内部的组成 ， 就像细胞质一样 ， 是我们的流变材料 ； 另一个打印的是它的外壳 ， 相当于细胞膜的部分 ， 我们用到的是水凝胶材料 。

这就是流变机器人的制造过程。它里面最核心的一个技术点是什么？就是中间的流变记忆材料在打印时要能够自支撑——我们要把它打印成单细胞生物的形状，同时还要能够支撑外面这层膜，让膜也形成这样的形状。

在打印完之后，我们把磁场撤去，它还需要再恢复到可以流动的状态。这个技术我们把它叫做“相变可逆4D打印”，也就是传统的3D打印出来之后，它的形状就固定了。但是相变可逆4D打印出来之后，可以让这个形状、结构再消失掉。

我们做出这样的流变机器人原型 ， 怎么样让它像单细胞生物一样做最简单的动作 ？ 其实单细胞生物也有简单的步态 。 这个步态叫做“伪足”运动， 就是细胞质朝着一个方向流动 ， 像伸出了一只脚一样 。

别看这是一小步，但在科研里边，这是前进了一大步。当时我们为了做这一步，搭建了相关的实验设备，用很多磁场线圈做阵列，为的是调控机器人体内不同部分从溶胶到凝胶转化。

我们看到右边这幅图上 ， 红色部分是凝胶凝住的部分 ， 黑色部分是熔胶可流动部分 。 正是 通过这样的 调控 ， 我们让机器人朝一个方向定向伸出了一个伪足 。

这只是第一步，将来如果我们想让它像变形虫一样流动起来——下面这张图是变形虫真实运动的图像，我们看到它是非常灵活。但有一个问题，就是为什么它能一直运动，而且身体不会因为运动分裂成两个？

如果分裂成两个，就失去了它运动的目的。这是因为它里面有很强的生物智能性、生物调控性。我们如何去复现？这就需要加入一些智能的算法。

我们开发了仿阿米巴虫的智能算法 ， 实现了细胞层次上的仿生机制 —— 从材料到单细胞的仿生 。 甚至未来 ， 单细胞生物可以进化成多细胞 ， 我们的机器人也可以从单个作战变成集体作战 ，也就是 集群式的机器人 。

实际上我们看到 ， 我们完成了一个从仿生到内生的转变 。 科学上目前也正在形成这样 的 学科趋势 。 有了一本期刊 ， 叫做《类生命系统》 。可以说，以前的仿生，更多的是形似，也就是长得像；而未来的仿生，是神似，从各个层面上都可以复现出生物的机制。

流变机器人的未来应用

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那么，流变机器人未来有哪些应用呢？当时，北京电视台节目组有一个进校园的活动，到了我的实验室，他们也问了这个问题。我给他们展示了一下，其中一个应用是胃出血的治疗。胃出血是一种急性疾病，甚至可能危害生命，因为出血点在内部，我们是看不到的。

现在传统的治疗是要吞服一些药物，然后缓慢地去释放和止血。如果我们把流变机器人吞到体内，借助一些医疗影像手段，让它找到出血点，准确地把出血点堵住，起到立竿见影的效果，甚至能够挽救人类的生命。

另一个应用场景，如果我们把流变机器人微小化，让它进入血管，那么它还可以做一件事：有点像白细胞做的事情，去找到血液中的癌细胞。我们知道，癌症病人在还没有形成肿瘤、癌症病灶的身体里，会有一些癌细胞，实际上对健康是有很大危害的。如果我们能及时地找到它，并且消灭它，就可以挽救生命。

▲左：胃出血治疗右： 循环肿瘤细胞捕获

这个是怎么实现的呢？首先，流变机器人身上有一些敏感蛋白，我们先将这些敏感蛋白和肿瘤细胞连接在一起，之后利用流变机器人的变形效应，把癌细胞内吞到它的体内，再运用远程的磁场进行加热。在非常高交变的磁场下，磁性的材料有自发热的现象，当加热到50多摄氏度，癌症的肿瘤细胞就会被杀灭。

大家知道，我们现在正在面临着很大的变革。我们正在经历着，可以说是第四次工业革命。这场革命的主题是什么？是人工智能，它将改变我们生活的方方面面。

如何能够把握这个机会呢？我的建议是，希望每一个人可以成为前沿科技的生产者和传播者。你可以去关注前沿科技，将来成为前沿科技的研究者，同时把它传播给更多的人，让更多的人加入进来，共同带动前沿技术的发展以及落地。

我是这样做的，也是这样去带动我身边人的。我带领团队发明了全球第一台桌面级4D打印机，并且获得了中国发明协会的发明创业奖一等奖。我们还把这个发明的经历改编成了一个舞台剧，在2024年的科技部全国实验展演大赛上进行演出，获得了比赛的一等奖。

我们也创立了一个实验室。这个实验室就以流变机器人的英文名字Rheobot命名，愿景是让每一个人成为这个硬科技时代的创造者。

谢谢大家！

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