会长大的机器人来了！南科大颠覆人形机器人设计，柔性骨骼可缩放

来源：市场资讯

（来源：DeepTech深科技）

在大多数人的认知里，人形机器人应当是像特斯拉 Optimus 或波士顿动力 Atlas 那样，拥有闪烁着金属光泽的躯干和力量感十足的关节。

然而，近日来自南方科技大学团队在 Science Advances 发表的重磅成果打破了这一刻板印象：一个名为 GrowHR、仅重 4.5 公斤的人形机器人，以人类骨骼为灵感，靠气囊与织物构建“可生长骨骼”，实现了身高从 0.49 米至 1.36 米的自由伸缩。它既能挤过窄缝、水面行走，又能被无人机投送，展现出极强的空间适应性。

“GrowHR 的设计初衷包含了两层深意，一是极致的‘拟人化’，二是突破生物极限的‘超人化’。”这项研究的通讯作者王宏强教授告诉 DeepTech。他多年来专注于静电柔性驱动的基础机理模型及其在多场景下的先进应用技术的研究，已建立了静电柔性驱动的从材料、设计方法、分析理论到应用技术等一系列系统性理论和方法成果。王宏强目前任职南方科技大学研究员、南科大机器人研究院副院长。

“拟人”意味着未来的具身智能机器人应当像人类一样探索边界，拥有去潜水、游泳甚至跳伞的宽广能力。而“超人”则是指其形态自适应能力在特种作业中的优势：它能通过大幅改变身高钻进人类无法进入的窄缝或管道执行维护任务；能实现“轻功水上漂”，载重 16.2 倍的特性使其成为理想的智能救生装置。

骨骼里的仿生密码

人形机器人因类人外观和功能，在医疗、重型劳动、搜救等领域潜力巨大，但传统设计存在三大核心缺陷。

首先是结构的“死板”。传统机器人的骨架多由刚性连杆组成，就像一套无法改变尺寸的盔甲。相比之下，人类骨骼通过骨骺板生长、密质骨承重、松质骨减震，实现了生长性与轻量化的完美集成。这种生物界的多功能集成方案，在目前的机械设计中几乎是空白。

其次是适应性的缺失。尽管市场上已经出现了一些可生长机器人，但它们大多停留在模仿植物藤蔓或细胞交互的层面，缺乏动物级别的动态承重能力。

最关键的痛点在于安全性。一个身高 1 米以上的人形机器人，自重往往超过 40 公斤。这使得它们在人机交互，比如一个简单的拥抱中，可能变身为危险的存在。

“我们发现，自然界作为最好的老师，其生物结构变化的过程为我们提供了重要启发。具体而言，骨骼的生长机制尤其具有研究价值。其并非我们通常理解中的简单刚性杆状物，而是具有丰富的层级与组成，既具备一定的柔软性，又拥有必要的硬度，这正好符合我们研制兼具柔性与类骨骼特性的软体机器人的设想。”王宏强表示。

具体而言，仿生骨骼的结构优势体现在以下三个维度：首先，骨骼首先具备足够的刚性，能够支撑人体直立，并承受在陆地行走时的动态载荷。这种密质骨般的高模量特性，保障了机器人负重作业的稳定性；其次，与易碎的工业刚性材料不同，骨骼内部拥有类似蜂窝状的松质骨结构。

这种多孔层级设计赋予了它卓越的柔性，在受到外部重压或剧烈冲击时能够有效吸收能量，起到保护内部精密系统的缓冲作用；最后，骨骼拥有可生长的动态变化能力，它不仅能随着年龄增长而延展长度，还展现出惊人的环境适应性，这种动态调整机制为机器人实现“形态自适应”提供了灵感。

基于此，团队引入了一种受骨骼启发的连杆结构，其延展性高达 315%，重量仅为 350 克，同时保持了高负载能力、顺应性和稳定性。

通过将这些可生长连杆集成到软体类人机器人中，实现了动态形状自适应，其身高可增加高达 278%，从 0.49 米增长至 1.36 米，并能在不同高度下行走。

同时，GrowHR 能穿越低矮开口，例如 0.55 米，仅为机器人全高的 40.4%，或窄缝，例如 0.25 米，仅为机器人全宽的 69.5%。通过将可生长连杆的驱动与伺服电机相结合，该机器人还可以切换到爬行模式，其移动速度比单纯使用电机或软驱动器快 1,122 倍。

图 | GrowHR（来源：上述论文）

从“空气城堡”里借来的智慧

在研发初期，团队陷入了一个近乎悖论的困局：人形机器人若要实现精准的行走控制，必须拥有足够的刚性；但若要实现生长变形与本质安全，则必须具备足够的柔性。如何将这对矛盾的需求统一在同一个结构中？是摆在王宏强及团队面前的第一道难题。

灵感的火花往往闪现于生活的日常。“想到气囊，是因为我平时带小孩去玩空气城堡。”王宏强回忆道。他观察到，空气城堡是一个奇妙的载体，它既能产生足够的支撑力，让人在上面弹跳（刚性支撑）；又能温柔地包裹住跌倒的孩子，提供极佳的缓冲（柔性安全）。受空气城堡的启发，团队决定采用气囊作为仿生骨骼的核心结构。

然而，将理想转化为现实的过程远比预想中艰难。

“生长”不仅仅是长度的改变，更是力的维持。团队最初面临的挑战，就是如何让机器人在站立状态下实现主动变形。

在实验中他们发现，当气囊收缩时，整体结构的刚性会随之下降。王宏强打了一个生动的比方：“就像一个人打崴脚了，如果腿部没有肌肉发力，他就很容易摔倒。”为了防止倾倒，团队通过结构优化，确保气囊在低刚度状态下，其上层机构依然能保持平衡不发生倾斜，从而实现了机器人在站立状态下的平稳伸长与收缩。

当机器人开始迈步时，新的挑战接踵而至。物体的刚度是分方向的，团队此前更关注轴向（纵向）的压缩刚度，但在行走时，随着腿部的倾斜和抬起，横向刚度的薄弱会导致骨骼在自重压力下发生弯曲。这是目前市面上所有刚性骨架机器人从未遇到的问题，因为它们本质上是“钢铁骨架”。

为了在柔性与稳定之间达成微妙的平衡，王宏强团队采取了两手抓的策略：首先，结构加强。在骨骼侧面增加了细巧的滑杆装置，在不破坏整体柔性设计的前提下，有效增强了侧向刚度；其次，算法校正。通过精密的控制算法进行自动校正。即便柔性腿部在抬起过程中产生微小误差，系统也能通过实时计算进行补偿，确保每一步都精准落地。

针对“气囊是否易破”的疑问，王宏强解释道，GrowHR 并非“薄皮气球”。气囊外包裹了高强度的“增强织物”层。这层类似衣服的非伸缩性材料，不仅限制了气囊膨胀以提升刚度，更起到了初步的物理保护作用。在未来的商业化预想中，它还将披上类似武警防刺服的特种材料铠甲。

刚柔并济的“跨界”进化

根据论文介绍，GrowHR 的整机重量仅 4.5kg，同时兼顾出色的载重与缓冲性能。其奥秘就在于团队对三种关键材料的差异化应用与精密组合。

高拉伸复合气囊材料。作为机器人实现“生长”的核心，气囊材料被赋予了极强的可拉伸性能。它不仅负责物理尺寸上的延展，还利用材料本身的弹性为机器人提供了天然的冲击缓冲能力。

柔性非伸缩增强织物。为了在不增加重量的前提下提升刚度，团队在气囊外层包裹了一种特殊的柔性布料。这种材料具有“不可拉伸但可折叠”的特性，它像紧身衣一样限制了气囊的过度膨胀，从而将原本松散的气囊转化为具备高轴向刚度的支撑连杆。

高性能碳纤维复合材料。在机器人最核心的受力部位，如腿部关节连接处、电机固定件等，团队选用了高强度的碳纤维材料。这种材料在保持极轻自重的同时，能提供极高的结构刚度，确保了机器人在复杂运动过程中的机械精度，使其骨架在承重时不会发生无效变形。

最令人惊叹的是，GrowHR 不仅能走、能爬、能游、能飞，更在于它在这些迥异的运动模式间切换的灵活性。“多模式机器人最核心的挑战往往不在于单一模式的实现，而在于模式之间的无缝衔接。”王宏强表示。

图 | GrowHR 行走、爬行、游泳和飞行（来源：上述论文）

他分享了一个有趣的细节：团队曾尝试让传统的刚性机器人模仿 GrowHR 从站立切换到爬行，却发现这在物理上极难实现。这就像练习“下腰劈叉”，下去容易但弹起来极难，因为对手足电机的力量要求超出了现有极限。而 GrowHR 凭借“可生长”特性规避了这一困局：它先将柔性腿部收缩变短，大幅降低重心抬升难度，站起后再充气“生长”恢复身高。

通过劈腿动作，GrowHR 仅需 17 秒即可从行走模式转变为爬行模式。

在场景适配上，团队借鉴了人类穿戴装备的逻辑。比如在水面作业时，为其设计了“防水泳衣”保护电路。由于密度极低，它展现出惊人的浮力与负重平衡能力，甚至能托起自身重量 16.2 倍的物体进行水域救援；在空中运输中，4.5 公斤的体量让它能轻松挂载于四旋翼无人机下，实现快速远程部署。

在 GrowHR 的测试数据中，有两组指标极为亮眼：一是其爬行速度比单纯使用电机或软体驱动快了 1,122 倍；二是其水面载重能力达到了自身重量的 16.2 倍。“传统的刚性机器人主要靠电机旋转实现蛇形运动，而纯软体机器人则依赖气囊伸缩实现蠕动。

GrowHR 在一个系统中同时集成了刚性关节与柔性骨骼。通过计算建模发现，当两种驱动方式合理协作时，能够产生极大的性能爆发力，从而打破了原有单一驱动模式的运动极限。”

目前，在驱动方案的选择上，GrowHR 采用伺服电机与气泵组合，这只是“先行版本”的折中。团队真正的核心武器——“静电人工肌肉（静电电机）”将在后续迭代中接管驱动系统。相比传统电机，这种人工肌肉拥有更优的功率密度比和更高的精度，能让机器人的形态更趋近完美仿生，并胜任出力要求更高的特种任务。

迈向“可拥抱”的未来

在具身智能备受关注的今天，机器人如何与物理环境产生安全且高效的交互，是行业共同的命题。王宏强指出，GrowHR 的一大优势在于其无需复杂的上层算法，仅凭其物理结构本身，就能实现对环境的主动适应。

它像现实版的“大白”，弹性骨骼能通过形变吸收碰撞能量，不会像重达八九十公斤的刚性机器人那样在交互中产生破坏性。王宏强曾让 6 岁的儿子参与碰撞测试，证实了轻量化与柔性身躯在人机交互中的绝对安全。

尽管在安全性与适应性上表现卓越，王宏强也客观地指出了目前的瓶颈。由于第一版本受限于现有电机的输出功率，GrowHR 在执行重型负重任务时仍有提升空间。未来的迭代重点，将是在保持轻量化与安全性的前提下，进一步增强动力系统，使其能够胜任更复杂的实战化任务。

对于人们最关心的问题：它距离我们的日常生活还有多远？王宏强坦言，GrowHR 实际上已经非常接近商业化的门槛，但从样机到商品仍需翻越工程化稳定性和软件算法深度融合两座大山。

实验室样机需要向更稳定、耐用的工业级产品转化，这涉及极其复杂的工程系统集成；此外，硬件系统只是“躯干”，未来的商业版本需要接入更强大的算法，实现更具情感温度的人机交互。

目前，团队已在开展家居环境测试，并与特教领域合作探索辅助自闭症儿童干预的可能性。

“我们希望通过这项工作，为行业探索一种跳出固有思维的范例，”王宏强说道，希望在不久的将来，当刚性与柔性真正实现深度融合，人形机器人或许将迎来从机械装置向仿生生命跨越的又一个关键里程碑。

1.Hao Liu et al. ,Bioinspired growable humanoid robot with bone-mimetic linkages for versatile mobility.Sci. Adv.12,eaea2831(2026).DOI:10.1126/sciadv.aea2831

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