超越大脑智能！Scienc子刊：具身超材料机器人来了

想象一下：当你的手指触碰到灼热的表面时，是先在脑中完成一段时间的缜密思考，再发出“很烫，必须缩回”的指令？还是在感受到痛觉的瞬间，就本能地把手指移开？答案显而易见，是后者。

然而，当前的具身机器人依然存在“离散驱动 + 离散传感”的局限，对环境的响应迟钝且缺乏本能。

为实现人类智能般的具身智能，机械超材料（Mechanical metamaterials）正成为热门研究领域之一。超材料类似一体化自感知驱动器：传感与驱动在同一材料或结构中完成，通过结构设计直接产生功能。

当机器人不再依赖核心计算，而是让“智能”分布在全身，具身智能才真正成为可能，进而催生出具身机器人的下一个范式——具身超材料机器人（Humanoid Metamaterial robotics）。

图｜具身超材料机器人

日前，在权威科学期刊 Science Robotics 刊发的一篇综述中，东京大学助理教授 Xiaoyang Zheng 团队及其合作者探讨了 3 个改善机器人功能的超材料设计原则，以及超材料机器人建模方面的挑战和如何利用人工智能（AI）技术指导更有效的设计。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx1519

在他们看来，超材料机器人有潜力重塑机器人系统与环境交互的方式——从刚性、集中式机器演变为能够自组织、自学习和自主进化的自适应、智能集体。

超材料的 3 个设计原则

超材料通常由特定构型重复排列的构建单元组成，从而产生集体行为和可调性。将多功能超材料物理嵌入机器人可增强其感知、驱动和控制等多项功能。Xiaoyang Zheng 团队及其合作者提出了超材料的3个设计原则：受力学启发的可变形架构实现可编程运动、借鉴折纸艺术的可重构结构提升柔韧性，以及基于刺激响应材料的智能感知功能。

这些原则为设计机器人提供了多样化途径。

1.力学启发架构

机器人的身体不应只是一个支撑结构，还应具备通过自身变形完成任务的能力。超材料结构让材料本身成为功能来源，而不仅是外壳。

晶格（Lattices）通过周期性结构实现高刚度、轻量化和可调柔性。它们能支持自组装、分布式感知、可变刚度等功能，还能通过特殊几何实现扭转、耦合等非常规运动方式。

负泊松比材料（Auxetics）在压缩时会整体收缩、拉伸时整体扩张，使机器人在减少机械系统里用于驱动动作的部件数量下实现运动和抓取。它们还能构成高灵敏传感器、多自由度管状驱动器，以及可连续变形的曲面结构。

通过设计单稳、双稳、多稳态结构，弯曲等不稳定行为被转化为功能，用于强力驱动、高速跳变、仿生运动和多状态形变。这类结构让机器人具备快速响应、形态切换和可编程重构能力。

图｜力学启发架构的设计变量、工作原理、功能特性及机器人应用

2.可重构形态结构

机器人在运动时常需要大幅度改变自身形状，而这些变化受到结构弯曲、拉伸、屈曲等力学行为的限制。

可重构结构——包含折纸（origami）、切纸（kirigami）以及基于接触的构型耦合——通过改变连接处的几何形态，让材料在二维与三维之间自由切换。折纸和切纸依靠柔性折痕与刚性面板实现结构重构，而接触耦合通过滚动或互锁单元实现模块化的自由变形。

这些设计让机器人更灵活、更易传递力，并减少控制复杂度。

图｜可重构形态结构的设计变量、工作原理、功能特性及机器人应用

3.材料驱动功能

用于驱动、传感和控制的“响应性超材料”的关键在于材料本身就能响应光、热、磁场等外界刺激，并在结构设计的配合下同时承担“驱动—传感—控制”的功能，相当于一个简化的“传动器 + 传感器 + 控制器”套装，无需额外零件。

用于可编程功能的“多材料超材料”通过组合不同属性的材料，让它们在受刺激时产生应变差，从而形成可控的内部应力，实现可编程的形变与动作。材料差异提供功能来源，结构设计决定响应方式，两者配合可实现可调刚度、可逆变形、自主运动以及多刺激解耦等复杂能力。

图｜材料驱动功能的设计变量、工作原理、功能特性及机器人应用

不足与未来展望

尽管已有超材料设计原则的理论指导，但当前的超材料机器人仍无法对传感、驱动、计算、通信等环节进行完全集成，只能实现部分集成。实现超材料机器人的功能完全集成还需进行统一设计框架、可扩展制造、混合建模、自主进化平台等。

进一步，研究团队还分别探讨了个体超材料机器人和群体超材料机器人的具身形态。如下：

1.个体超材料机器人

个体超材料机器人通过材料和结构本身实现嵌入式智能。低级机器人利用分层圆柱形晶格结构获得机械鲁棒性，同时可进行简单的信息处理和存储。高级机器人则模仿复杂生物体，结合分布式感知网络、人工肌肉和柔性骨骼，实现自主感知、决策与运动。此外，新兴技术进一步引入量子机器学习、神经形态计算等，可在机器人内部形成微型“大脑”，使其实现高度自适应行为。

2.群体超材料机器人

超材料结构单元的基于接触的耦合提供了一种机制，使得不同尺寸和形态的机器人之间能够进行物理交互和协调，从而能够创建机器人群体。这些群体由具有专业化感知、驱动和控制能力的机器人组成能执行更复杂的任务，对环境变化更具韧性。

超材料机器人通过融合材料、力学与机器人技术，将感知、驱动和计算功能直接嵌入到材料的微观结构中，从而赋予机器人自适应的具身智能。

展望未来，机器人将作为自组织、松散耦合的团队发挥功能，在跨度上实现学习、通信和协作，达到更高水平的智能，比如在生物医学领域中递送靶向药的微尺度机器人群体，在太空探索任务中的米尺度机器人群体等。机器人的智能将不再仅限于算法代码，而植根于构成其身体的物质本身。

整理：潇潇

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