南方科技大学王宏强课题组Science子刊：可生长仿生人形机器人问世：受骨骼启发，具备多环境移动能力

近年来，人形机器人因其类人的外观与能力，在医疗、重劳力、远程存在、太空探索及危险环境搜救等领域展现出巨大潜力。然而，现有机器人在诸多方面仍无法与人类媲美。人类的骨骼具有生长性、轻质高强、能吸收冲击等多功能复杂结构，而当前人形机器人的骨架多为简单柱体。虽然可生长机器人研究逐渐兴起，但受动物启发、能直接承载动态载荷并保持运动平衡的可生长步行双足机器人，仍是极具挑战的前沿方向。

南方科技大学王宏强教授课题组受发育中骨骼结构的启发，成功研制出一种可生长的仿生连接结构。该结构仅重350克，伸展率高达315%，同时具备高负载能力、顺应性与稳定性。将其集成到柔软的人形机器人“GrowHR”中，机器人可实现动态形变，高度可压缩至36%，宽度可压缩至61%，从而穿越狭小空间。通过结合可生长连接驱动与伺服电机，机器人能切换至爬行模式，速度较仅使用电机或软驱动器时提升1122倍。仅重4.5千克的GrowHR还能漂浮、游泳、在水上行走甚至飞行。其软质机身确保了与人交互的安全性，可承受拥抱、摔倒和提起而不造成伤害。可变形腿部能在外载下存储并释放弹性能量，实现刚性结构无法完成的动作。这项工作为动态复杂环境中可生长、多功能的机器人设计开辟了新路径。相关论文以“Bioinspired growable humanoid robot with bone-mimetic linkages for versatile mobility”为题，发表在

Science Advances

研究团队首先展示了GrowHR的整体概览。图1将可生长连接结构与人体骨骼进行对比，解释了其仿生设计理念。机器人通过充放气实现身高在0.49米至1.36米之间变化，覆盖了从幼儿到成人的高度范围。图中还呈现了其多种应用场景，包括从包装箱中自主走出、穿过低矮洞口与狭窄缝隙，凸显其出色的环境适应性与便携性。

图1. GrowHR概览 （A）可生长连接结构与骨骼的结构对比。（B）机器人生长机制与骨骼生长机制的对比。（C）GrowHR在充气与放气状态下的高度（以红星表示），与一名成年女性（150厘米）、一名6岁男孩（115厘米）、不同机器人及人类生长曲线的比较。（D）GrowHR的应用场景。

为实现稳定运动，可生长连接结构的设计至关重要。图2详细揭示了该结构的核心构成：采用PVC材料制成的柔软气室用于变形，两端配有刚性连接器，外部包裹不可拉伸的织物覆盖层以显著提高轴向刚度。为解决充放气过程中连接器难以保持水平的问题，研究人员设计了同步电缆约束机构，通过四根等长电缆确保两端始终平行。此外，线性导向杆的加入进一步增强了结构的稳定性与抗弯曲能力，使机器人在站立时也能安全地进行高度变换。

图2. GrowHR的可生长连接结构 （A）可生长连接结构的构成。（B）不同气压下可生长连接结构的轴向刚度。（C）同步电缆约束机制的结构。（D）无线性导向杆时连接结构放气过程的截图（从左至右：电缆和橡皮筋均无张力；电缆无张力但有橡皮筋；电缆有张力但无橡皮筋；电缆和橡皮筋均无张力）。（E）可生长连接结构竖直站立时的受力平衡。（F）不同倾斜角和充气高度下可生长连接结构的稳定性分析。（G）GrowHR在无（上图）和有（下图）线性导向杆时的充气过程。

GrowHR的运动能力在多场景下得到验证。图3记录了机器人在充气全高与放气低矮状态下的步行，以及从箱中自主脱出并恢复全高的过程。更重要的是，通过可生长连接结构与伺服电机的协同工作，机器人实现了类似蚯蚓的爬行运动，速度远超单一驱动方式。凭借轻质大腔体的设计，机器人密度仅为水的5.8%，不仅能漂浮、游泳，还能在水面行走。实验还演示了其搭载涵道风扇进行空中运输的能力，最远飞行距离达5.5公里，展现了在偏远地区执行搜救任务的潜力。

图3. 行走、爬行、游泳与飞行 （A）GrowHR在充气状态（全高）下行走。（B）GrowHR在放气状态（最低高度）下行走。（C）GrowHR在放气状态下从小箱中走出，然后充气至全高并行走。（D）GrowHR穿过狭窄缝隙（左：初始尺寸无法通过；右：放气后成功挤过）。（E）GrowHR仅由电机驱动、仅由可生长连接结构驱动、或二者协同驱动时的爬行步态，以及爬行12.5分钟后的机器人截图。（F）不同爬行步态下GrowHR的位移。（G）一个游泳周期中GrowHR的截图。（H）不同伸展角度和恢复时长下的游泳速度。实验、仿真与模型数据的对比。（I）GrowHR在泳池中救援溺水者的演示。（J）GrowHR在水上行走。（K）GrowHR借助两个涵道风扇飞向天空。

安全性与弹性带来的多功能性是GrowHR的另一大亮点。图4显示了机器人与儿童安全互动的场景，包括拥抱、被提起、跌倒碰撞和拖行。得益于软质材料与充气结构，可生长连接件能有效吸收冲击，保护内部电子元件与机械部件。在摆锤冲击与跌落测试中，其最大加速度均显著低于刚性对比结构。此外，腿部弹性变形可存储能量，释放时能产生足以踢动足球的瞬时爆发力，展示了超越刚性机器人的动态动作潜力。

图4. 弹性赋予GrowHR的能力 （A）GrowHR安全拥抱一名6岁儿童。（B）轻质的GrowHR被儿童提起。（C）GrowHR跌倒并与儿童碰撞，对双方均安全。（D）GrowHR被儿童拖行。（E）摆锤冲击测试中，可生长连接结构在不同气压下的最大加速度、主频率和能量比（测量点动能与摆锤初始动能之比），与其刚性对比结构的比较。（F）跌落测试的截图。（G）GrowHR与其刚性对比结构在跌落测试中的加速度。（H）搭载可生长连接结构的腿部变形后释放，踢动足球。

这项研究提出了一种受骨骼启发的可生长连接结构设计，兼具轻量化、高刚度与冲击吸收特性，并成功集成于能执行多种任务的人形机器人中。未来，通过增加自由度、采用更强动力执行器、结合先进控制策略与学习算法，此类机器人的自主性与动态性能有望进一步提升。这项设计理念预示着人形机器人有望广泛应用于复杂、动态或危险环境中，安全高效地辅助人类完成重复性或高风险任务，最终提升社会安全、生产力和生活质量。