软体机器人：柔软的智能“生命”

来源：光明网-《光明日报》

作者：许昌瑀（西湖大学博士后）；林洋伊（西湖大学学生）；姜汉卿（西湖大学机械工程讲席教授）

冰冷坚硬的金属骨架、精确运转的齿轮电机……这，是不是你脑中的“机器人”？其实，还有一种机器人：它们没有坚硬的躯壳，而是以柔软的身体探索世界，它们并不强壮，却不会轻易损坏——这，就是软体机器人。它们像章鱼、蚯蚓、水母等自然界生物一样灵动，能够弯曲、伸展、钻入狭缝，展现出前所未有的环境适应力。

“仿生舞者”，拓展机器人应用边界

传统机器人几乎都以金属或硬质塑料为骨架，依靠电机、齿轮、连杆等关节式结构来运动。它们动作精确、重复性强，能够在流水线上昼夜不停地完成焊接、装配、搬运等任务，是现代工业中高效的“钢铁工匠”。然而，在复杂多变、不可预期的环境中，它们往往动作僵硬，难以灵活应对：一个机器人手臂或许能精准焊接汽车零件，却很难像人手一样轻柔地剥开一枚鸡蛋。

软体机器人不一样！它们的制造灵感来源于自然，犹如柔软的“仿生舞者”——摒弃了刚硬的外壳，采用硅橡胶、弹性聚合物、凝胶乃至生物组织等柔软材料制造，身体能够自由弯曲、伸展、收缩、扭动，具备穿越狭窄空间、贴合不规则表面，甚至在极端环境下完成任务的能力。

这种柔软的特性，也让软体机器人更适合与人直接交互。例如，“肌肉骨骼型”仿人机器人，以类肌肉的柔性结构提升互动的自然性；可变刚度柔性机械臂，则能在“刚”与“柔”之间灵活切换，在保障安全的同时贴合人体动作完成协作，让人机关系变得更和谐。

近年来，我国科研团队在软体机器人研发方面不断推出新成果。如上海交通大学研制的仿蛇机器人，能在狭窄通道中蜿蜒前行；哈尔滨工程大学研制的仿鱼机器人，能在深海高压中稳定游动；中国科学技术大学和西湖大学等研制的柔性抓手，能夹起各种形状的物体……这些尝试都指向同一个方向：让机器人在复杂环境中更灵活、更适应。

在实际应用中，软体机器人与传统机器人互为补充，二者通过刚柔融合与系统集成走向协同，正在极大地拓展机器人的应用边界，为未来带来无限可能。

“人工肌肉”，让软体机器人动起来

没有电机和齿轮，软体机器人是如何动起来的？其奥秘在于科研人员通过多种“人工肌肉”形成独特的驱动方式，赋予机器人弯曲、伸展与蠕动的能力。

气动驱动是软体机器人最经典的运动方式。机器人体内布满各种精巧的空腔和通道，当空气或液体被泵入时，这些腔体就像肌肉纤维一样膨胀、弯曲，驱动身体伸展或扭动。只要精准调控不同腔体的压力和充气顺序，机器人就能完成爬行、夹取甚至翻滚等复杂动作。它就像一个“会呼吸”的身体，靠气流推动全身舞动。近期，荷兰原子与分子物理研究所展示了一种基于气流的软体机器人，仅靠一根硅胶软管，在气流作用下就能自发振荡，并通过与环境的互动展现类似动物的步态。这一设计无需复杂电路，却能让机器人在动态环境中保持适应性。

电驱动软体机器人中，最典型的是介电弹性体驱动（DEA），在柔软的高分子薄膜两侧覆盖柔性电极，施加高电场后产生静电应力，使薄膜厚度被压缩、平面方向膨胀，从而实现快速而有力的伸缩。清华大学科研团队曾利用这一技术研制出亚厘米级的软体蠕动机器人，能在狭窄管道中高速前行并完成巡检；哈佛大学的研究则将多层介电弹性体驱动应用于微型扑翼，让机器人实现轻盈飞行。另一类是离子聚合物驱动，依靠电场作用下的小离子在聚合物电解质中迁移并携带水分子，造成两侧体积差异，从而引起整体弯曲，其动作相对缓慢，但优势是驱动电压极低，与现有锂电池等便携电源技术高度契合，在实际应用中潜力突出。西安交通大学团队就利用这一原理，设计出“扭转—弯曲”双稳态结构，并驱动微型机器人实现自主爬行与游泳，为低电压软驱动的应用拓展提供了新思路。

形状记忆材料是一类特殊的“热驱动肌肉”，包括形状记忆合金（SMA）和形状记忆聚合物（SMP）。这类材料的独特之处在于能够“记住”原始形态，加热时会恢复到设定的形状，冷却后则可以再次被变形并固定。将细丝状的形状记忆合金或柔性的形状记忆聚合物嵌入软体结构，就好比在“橡胶肌肉”里埋进了热响应的纤维，每次通电或加热，它们都会收缩或恢复形状，从而牵引机器人完成动作。

外场驱动软体机器人的代表是磁场驱动，在柔软材料中掺入微小的磁性颗粒，通过外部磁场操控，使其在力和力矩作用下带动整体结构弯曲或蠕动。麻省理工学院团队研发的毫米级直径的柔性连续体机器人，能在复杂血管模型中灵活导航。外磁场能够无损穿透人体组织，适合医疗应用。当前，磁驱动机器人已经在动物实验中展现了进入血管、胃肠等复杂环境的潜力。

外场驱动软体机器人的另一类型是光场驱动。在材料中引入光响应分子或光热颗粒后，利用激光或可见光远程触发其弯曲、伸展甚至扭转。光场的空间分辨率极高，可以实现局部精确控制，便于结合光纤用于微创场景中。不少研究团队已开发出精准可控的光驱动软体结构，比如液晶聚合物(LCP)动态响应材料，能够在光照下进行弯曲、滚动、扭转，甚至模拟“光控步行”。还有研究通过将光吸收晶体与聚合物复合，制成可在紫外与可见光交替照射下快速弯曲并恢复的光控薄膜，可以模拟“光控夹持”动作。

电磁弹性体驱动软体机器人是西湖大学科研人员发明的全新驱动方式。它的原理就像一场“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。当没有电流时，两股力量保持平衡，结构处于自然状态；一旦通电，磁力突然增强，会把弹性体“拉近”，像肌肉纤维一样收缩起来，通过调节电流大小，便能控制收缩的幅度和速度。不同于传统的电磁驱动，该机制以软磁和硬磁之间的强磁吸引为主要驱动力，不仅能输出较大的力量，还能在很低的电压下稳定工作，更可以通过巧妙设计，在断电后保持某种形态而不耗能。利用这一原理，该科研团队已经研发出能够在自然环境中爬行、游泳甚至跳跃的微型机器人，为未来小巧灵活、真正自主的软体机器人提供了新思路。

直接利用活细胞作为驱动源，是近年来软体机器人发展的新方向。科研人员将心肌细胞或骨骼肌细胞培养在柔性材料上，让它们像在体内一样有节律地收缩，从而驱动软体机器人运动，这样的机器人仿佛真的“长”出了能跳动的肌肉。与其他驱动方式不同，这些细胞不仅能自主消耗营养液产生能量，还具备一定的自愈能力。更有研究通过基因改造，使细胞对光信号产生反应，只需一束光照，肌肉便会收缩，实现精准的“光控指令”。这让软体机器人距离真正的仿生生命体又近了一步。

无论采用何种驱动方式，软体机器人都离不开柔软材料的支持——硅胶、橡胶以及新型高分子材料。它们就像软体机器人的“肌肤”，既具有柔韧性又可大幅变形，为各种驱动方式提供了可靠的舞台。正因有了这层“柔性肌肤”，软体机器人才能在复杂多变的环境中自由伸展、弯曲与贴合，展现出传统机器人难以企及的环境适应性。

“入境随形”，向柔软智能“生命”进化

“入境随形”是软体机器人的最大魅力。无论是微观世界、极端环境，抑或是人机交互的日常生活场景，软体机器人总能找到属于自己的任务“路径”，像水一样贴合、渗透、适应复杂环境。如今，软体机器人正逐步走出实验室，在真实世界中大展身手。

在医疗领域，纤细的软体机器人能够进入人体内蜿蜒的血管或胃肠道，避开敏感组织，抵达手术刀难以触及的病灶，完成精准操作而不划伤脆弱的组织。未来，这类机器人甚至可以设计为可降解材料，在完成任务后逐渐分解，被身体吸收，避免二次取出。近年来，我国科研人员已经开展了基于磁驱动的胃肠道软体机器人研究，并在动物实验中展示了其可行性，为微创医疗带来新的可能。

在灾害救援与环境探测中，一种能够钻入狭小缝隙的软体探测器，不仅可以在地震废墟中寻找生命迹象，还能携带微型传感器，监测温湿度或有害气体，在复杂空间内完成信号检测，为救援提供关键信息。如浙江大学的仿生鱼类机器人已成功潜入万米深海，在高压环境中稳定游动，其柔性抓手可在深海完成取样任务。

不同于冰冷的机械臂，在日常的人机交互中，软体机器人拥有温和的触感，既可为老人提供辅助护理，也能成为教育场景中的互动伙伴。近年来，一些具身智能机器人企业也开始研发可变刚度的软体手臂，既能在需要时提供支撑力，又能在接触人体时保持柔软安全，展现出高度的亲和感，成为陪伴、守护人类的温柔伙伴。

软体机器人的未来充满无限可能，但其研发过程中仍面临诸多新难题。

首先是驱动与材料性能的限制。与传统电机相比，软体驱动输出力量较小，而许多智能材料工作条件苛刻，例如高电压或特殊外场。此外，软体材料在大变形时往往表现出显著的非线性特性，加之制备工艺尚未标准化，使得性能稳定性和重复性难以保证。虽然近年来出现的新型电磁弹性体驱动软体机器人在输出力和驱动条件上取得了突破，为软体机器人带来“肌肉”般的力量，但要真正实现模块化、工程化应用还需要时间。

其次是控制精准度有待提高。与关节分明的传统机器人不同，软体机器人的整个身体都能变形，拥有几乎无限的自由度。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。如何让它们既能像生物一样顺应环境，又能稳定、可靠地执行任务，是科研人员正在攻克的难题。

最后，能源与系统集成亟待突破。相比传统机器人，软体驱动器与现有电子、能源和制造体系存在一定“不兼容”，小型电池、芯片和控制电路尚难与柔性驱动单元顺畅集成。整体上，软体机器人距离真正的自主化和工程化应用还有很长的路要走。

挑战并非阻碍，而是未来的路标。我们可以更大胆设想，随着新材料和智能算法的发展，未来的软体机器人也许能感知、思考与反应，逐渐进化为一种“柔软的智能生命”。