绕过大脑思考，超材料机赋予机器人身体本能！| Science Robotics

当波士顿动力Atlas人形机器人用一个后空翻惊艳世界时，它展示的是“中央大脑”计算的极致。

然而，一场静默的革命，正试图绕过大脑，为机器赋予反射弧。其核心是让机器人的身体自己能看、能感、能反应，实现中央指挥与身体本能相结合的类人智能。

如今，一种名为“机械超材料” 的黑科技，正试图将这种智慧赋予机器人。它的目标堪称颠覆：让机器人的智能，从复杂的芯片代码，下沉到每一寸物理躯体之中。目前，模块化手性折纸超材料已在机器人变形器、温度调节、机械存储器、能量吸收和信息加密中得到验证。

近日，权威科学期刊《Science Robotics》上一份由全球多位科学家联合撰写的综述指出，通过精心设计材料的微观结构，机器人将能实现感知、驱动、控制乃至计算的本体化。

未来，我们或许会看到能像液体一样变形穿过缝隙、又能瞬间凝聚成坚固结构的救援机器人；或是由无数微小单元自主组装、重构，甚至自我修复的航天器。

这并非遥远的科幻。一场关于机器人身体的革命，已经拉开了序幕。

人形超材料机器人的概念

一、机器人的身体困境：强壮的四肢，迟钝的神经

要理解这场革命为何必要，首先看看目前机器人的痛点。

无论是工厂里的机械臂，还是公园里秀舞技的人形机器人，它们大都遵循着经典的“大脑+身体”模式：一个中央处理器（CPU）作为大脑，负责所有的思考、规划和决策；电机、齿轮和传感器作为身体部件，通过错综复杂的线缆接收指令并反馈信息。

这套系统成熟，但瓶颈明显！若将其类比为人，可以说是一个协调性不是很好的个体，具体表现在以下三个方面：

• 身体笨重僵硬：大多数机器人系统依赖于传动式执行器，例如电机和齿轮箱，而这使得机器人重量大、动作生硬，在需要柔顺、安全交互（如医疗、老人护理）的场景中受限。
• 神经迟钝单一：为了感知内部状态和外部环境，机器人需要在全身布满传感器，这导致系统异常复杂、功耗高，且难以实现真正的全身触觉。这一问题在需要捕捉复杂形变的软体机器人上尤为突出。
• 大脑不堪重负：机器人的每一个动作都需要大脑精确计算和指挥，一旦进入未知的极端环境，反应速度和控制难度呈指数级上升。

这就好比一个武功高手，虽然内力深厚（强大的电机），但全身的神经传导却非常缓慢且单一，无法做出诸如“凌波微步”这类依靠皮肤敏锐感知并瞬间反应的灵巧动作。

二、超材料：重塑机器人的“筋骨血肉”

如何破解这一困境？答案就是超材料。

超材料并非某种特定的神奇物质，可以被理解为一种能够结构编程的智能物质。它的非凡能力并非来自材质本身，而是来自其精密的微观结构设计，就像为物理世界编写代码，让机器人的身体能直接读懂并执行复杂的机械指令。

论文中，科学家们将超材料的设计原则归纳为三大“法宝”，它们正在从不同维度为机器人注入原生智能。

机器人超材料设计原理

• 法宝一：力学启发架构，打造机器人的智能骨骼

超材料为机器人赋予了三种核心身体能力：通过仿生晶格实现极致的轻量与坚固；通过拉胀结构获得违反直觉的形变模式以更好地适应环境；通过突跳不稳定性来储存并瞬间释放能量，实现高速、高力的动作。

基于力学启发式结构的超材料机器人

具体而言，晶格架构能以极轻的重量实现超乎想象的坚固度，同时还能在需要时展现出可调的柔韧性，让机器人兼具强大的承载能力与灵活的运动能力；

拉胀超材料以其独特的负泊松比特性，使材料在受压时横向膨胀、受拉时收缩，这种反直觉的形变模式，能极大简化驱动设计；

突跳结构则借鉴于按动圆珠笔的“咔哒”机制，能在特定形变下发生稳定状态的瞬间切换，将储存的弹性势能急剧释放。

• 法宝二：重构结构，打造机器人的“变形金刚”躯壳

借鉴古老的折纸、剪纸和接触耦合技术艺术，超材料可以实现极其复杂的二维到三维形状变换，这让机器人能重构身体形态，像变形金刚一样动态调整自身来应对多变环境。

折纸原理是指在平面材料上预设折痕，将弹性势能集中在特定路径上。当受到刺激时，材料会沿着这些预设的通道自动折叠展开。这项技术让机器人“卷”起来，让一张平面薄片，能自动折叠成能滑翔的飞机、能滚动的轮子，或是一条章鱼触手般的灵巧机械臂。

剪纸技术是指在弹性材料上精妙切割，创造出一系列应变集中点，当材料被拉伸时，应力会在切口处重新分布，引发可控的三维屈曲。将剪纸与拉胀设计相结合，软体机器人便获得了感知与行动一体化的能力，他就像获得了一身智能皮肤，爬行时弹出纹理增加摩擦，抓取时如植物卷须般温柔缠绕，甚至能抓起自身重量16000倍的物体。

如果说折纸与剪纸是让连续体材料产生智能形变，那么“接触耦合”则代表了一条更具革命性的路径，它通过滚动接触和互锁接触两种技术路径，让机器人像乐高或锁子甲一样，由无数离散模块组成，并能动态重组、变换形态，应对各种复杂的环境和任务。

基于形状可重构结构的超材料机器人

这三种机制的精妙之处在于，它们将"变形"这个原本需要复杂控制系统和大量执行器才能完成的任务，变成了材料与生俱来的本能。

• 法宝三：材料驱动功能，打造机器人的敏感神经与人工肌肉

这是最具颠覆性的一步，让机器人的身体本身就能感知世界并做出反应。传统机器人的“大脑”与“身体”是分离的，而新材料技术正在打破这一界限。

智能材料让机器人的躯体变身敏感神经与人工肌肉的复合体。将响应型和被动型材料结合到超材料架构中，可以为机器人调出一具能自主适应环境的智能身体。

这一理念已在多种智能材料中得到生动体现。热响应超材料如恒温金属条，能在极端温度下自动变形，实现自主保护；光响应超材料通过剪纸工艺制成微型机器人，能在激光引导下自主运动；电敏感材料实现电信号与机械形变的双向转换，既能在电压下改变形状，又能在受力时产生信号；磁控材料通过嵌入磁性颗粒，实现快速重构和多模态运动。

基于响应型超材料的超材料机器人

单一材料功能有限，将多种智能材料组合，就能创造真正的全能战士。

不同材料响应不同刺激，让机器人能同时感知温度、光线、磁场等多元信息。刚性材料提供支撑，柔性材料实现变形，相变材料实现刚柔切换。如变形无人机通过多材料结构，实现地面行进与空中飞行的自主转换。

基于多材料超材料的超材料机器人

通过将智能融入材料，我们正在创造的不是冰冷的机器，而是拥有生命感的智能体，它们的每一寸肌肤都充满感知，每一次动作都源于本能。

三、AI+超材料：机器人设计的共创伙伴

尽管前景广阔，但研究指出，目前超材料机器人的设计和建模仍然面临诸多挑战：沿用传统的物理定律去仿真，虽精准却计算缓慢、成本高昂；完全依赖AI大数据学习，又容易脱离现实，甚至产生违背物理规律的设计。

破局的关键，在于将人工智能的创造性与高保真物理仿真的严谨性深度融合，也就是把AI作为超材料机器人最得力的共创伙伴。

AI正从三个方面加速超材料机器人的诞生：

逆向设计：只需告诉AI你想要的机器人功能，生成式AI就能基于物理原理，自动设计出最优的超材料结构。

高效建模：超材料的行为高度非线性，传统仿真耗时耗力。基于物理信息的机器学习模型，能以极高的效率预测超材料在复杂环境下的动态响应。

智能控制：强化学习等AI算法，能让超材料机器人在实践中自主学习最优的运动策略，比如如何协调全身的“人工肌肉”以最节能的方式行走。

AI与超材料的结合，相当于为机器人设计师开启了“超级外脑”，能够驾驭微观结构与宏观功能之间极其复杂的关系，设计出前所未有的机器人形态。

四、未来愿景：身体本能觉醒，群体智能涌现

论文为我们描绘了超材料机器人的终极愿景：具身智能与可重构物质的深度融合。

在个体层面，未来的机器人将更像生物体。它可能拥有一个中央处理单元，像我们的大脑，但更多的感知、反应和简单决策功能将由分布全身的超材料本体来完成。它的骨骼是轻质高强的晶格结构，肌肉是响应迅速的人工肌肉，皮肤是布满传感神经的电子织物。

这种机器人将在动态、非结构化的环境中游刃有余。

在群体层面，超材料将催生真正的“变形金刚”集群。成千上万个微小的超材料机器人单元，每个都具备简单的感知、驱动和通信能力，它们能通过磁力、机械互锁等方式自主结合。根据需要，它们可以像液体一样流动穿过狭窄区域，然后迅速聚合成一个坚固的刚性结构，之后再解散，重组成一个功能不同的机器。

超材料机器人技术，正在模糊材料与机器、身体与大脑之间的界限。它告诉我们，智能不一定非要被计算出来，也可以被结构出来，被材料表达出来。

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