清华团队Science子刊重磅！给机器人造了副“肌肉骨骼”，能变身、可负重，会爬会游还会滑翔

人为什么能用同一副身体，完成走路、奔跑、游泳和搬东西？关键藏在肌肉与骨骼的配合里。

骨骼决定身体形态，肌肉提供运动所需的力量。面对不同任务，肌肉还会改变软硬和发力节奏：跑步时追求速度与幅度，负重时则需要更高的刚度。

机器人则很难拥有这种灵活性。

为了改变身体形态，变体机器人通常需要舵机或专门的重构机构；为了真正运动，还要再增加电机和驱动器。功能越多，结构越复杂。到了厘米级、克级微型机器人上，每增加一个部件，都在挤占有限的电池和负载空间。

近日，清华大学与北京航空航天大学团队受生物肌肉骨骼系统启发，开发出一种形态可编程、动力学可调的人造“肌骨致动器”。

基于这套系统，团队造出两款机器人：一款重量仅1.8克，可以在四足与人形状态之间切换；另一款仿照蜜袋鼯设计，重量6.4克，能在地面爬行、携带物体、水面游动，还能展开翼膜滑翔。

相关论文《Musculoskeletal actuators with programmable morphology and tunable dynamics》登权威期刊《Science Advances》。

论文第一作者为清华大学航天航空学院徐世威，张一慧教授为通讯作者。研究团队来自清华大学工程力学系应用力学实验室、柔性电子技术国家级重点实验室、清华大学Mechano-X研究院以及北京航空航天大学能源与动力工程学院。

01.

骨骼负责“变身”，肌肉负责“发力”

这套致动器由两个部分串联组成：可改变形态的骨骼模块，以及刚度可调的肌肉模块。

骨骼模块使用液晶弹性体和形状记忆聚合物。通电加热后，材料带动结构弯曲；停止加热并冷却后，骨骼重新变硬，将身体固定在需要的形态。

因此，机器人可以连续改变身体形状，也可以停留在多个中间构型。

肌肉模块由多层聚二甲基硅氧烷基介电弹性体、柔性电极和电热调刚度的形状记忆聚合物层组成。其中，介电弹性体负责产生快速、周期性的动作；形状记忆聚合物负责调节肌肉整体刚度。两套电信号可以独立控制，研究人员可以分别改变骨骼形态、肌肉软硬、振动频率和驱动幅度。

简单来说，骨骼决定“身体长什么样”，肌肉决定“身体怎样动”。

实验显示，当肌肉模块的电热电压由0伏增加至5.5伏时，材料逐渐软化，其共振频率由64赫兹下降至14赫兹，共振弯曲角则由约2.5°提高至75°。

这组数据对应着一个更直观的结果：肌肉变软，动作幅度更大；肌肉变硬，运动幅度减小，承载与传力能力更强。

这也意味着，机器人可以根据任务重新分配性能。需要快速移动时，把肌肉调软；需要搬运物体时，再切换至高刚度状态。

更进一步，通过改变骨骼和肌肉模块的数量、连接方式及空间布局，团队还构建了孔雀、啄木鸟和蝎子等仿生致动器，分别完成展尾、啄击、整尾摆动和尾尖振动等动作。

因此，这项研究展示的不只是一种驱动材料，也是一套可以组合、扩展的人工肌骨模块。

模块层面的能力建立后，团队进一步把这套“肌肉骨骼”装进机器人，验证身体形态改变后，肢体功能能否随之重组。

02.

趴下是四足，站起来变人形

答案首先出现在一款质量仅1.8克的微型机器人上。

在这款机器人上，这套肌骨系统展示了一个有意思的能力：通过改变身体形态，重新分配肢体功能——它最初接近一块平面结构。接到控制信号后，它可以先变成四足机器人，再进一步站起，切换为人形状态。

四足构型下，机器人的前后腿交替振动，推动身体向前爬行。通过调节腿部骨骼的弯曲程度，它还能主动压低身体，从仅5毫米高的狭窄通道中穿过。

低刚度状态下，机器人最高运动速度可达每秒3个身长；需要搬运时，它可以把肌肉调硬。高刚度状态下，这个1.8克的小家伙能够携带6克负载，超过自身质量的3倍。

当机器人进一步站起，原本用于支撑和爬行的前肢离开地面，可以用来操作物体。

研究人员在其前肢末端增加了夹爪模块。机器人能够弯腰抓起一个纸球，重新站立，再通过摆臂和张开夹爪将纸球抛出去。

从四足到人形，改变的不只是外观。

四足状态拥有更多支撑点，适合快速移动和穿越低矮空间；站立之后，机器人牺牲部分稳定性，换来一对可以抓取和搬运的前肢。它开始根据任务，重新安排自己的身体。

03.

6.4克“机器蜜袋鼯”，一张翼膜横跨水陆空

为了让机器人摆脱线缆，团队还研制出一款仿蜜袋鼯无线微型机器人。

这款机器人收拢后的尺寸约为5厘米×2厘米×1.5厘米，总质量6.4克。它的身体里集成了肌肉驱动模块、可展开翼膜、可变形载物舱、微型锂电池和无线控制电路。

其中，控制电路质量仅1.04克，可以将3.7伏锂电池的输入转换为最高约9.5千伏的低至中频高压波形，为介电弹性体提供驱动信号。通过红外遥控，研究人员可以分别调节机器人的骨骼形态、肌肉刚度和运动频率。

收拢状态下，机器人利用肌肉振动和脚部的各向异性摩擦在地面前进，最高速度达到每秒1.1个身长，并能爬上20°斜坡。

展开载物舱后，它可以包裹纸夹、塑料管和泡沫块等不同形状的物体。肌肉处于高刚度状态时，最大负载达到3.6克。

继续展开两侧翼膜，机器人可以漂浮在水或硅油表面，并依靠振动向前运动。在水面上，其最高速度约为每秒0.37个身长。

同一张翼膜到了空中，又变成一副滑翔翼。

机器人从高处下落时，向上展开的翼膜能够产生升力，帮助其调整姿态、降低下落速度并平缓着陆。落地后，机器人无需人工重新组装，可以继续切换为地面运动状态。

那么，完成这些形态切换和运动任务，需要消耗多少能量？在能耗方面，打开载物舱和展开翼膜所需的能量，分别低于电池容量的3.5%。在肌肉模块高功耗工作的条件下，系统保守连续运行时间约为20分钟。

04.

机器人开始根据任务“重新长身体”

当爬、搬、游、滑翔都被压进一个6.4克的身体里，这项研究真正想回答的问题也浮现出来：微型机器人如何通过重构自身，以更少的执行器完成更多任务？

大型机器人可以通过增加电机、舵机和机械关节扩展功能。尺寸缩小到几厘米、质量压缩到几克后，这条路会越来越难走。每增加一个执行器，机器人都要付出重量、能源和控制资源。

肌骨致动器给出的思路，是让骨骼负责改变和锁定形态，让肌肉负责快速运动和刚度调节。同一套驱动系统，可以根据任务在速度、动作幅度、输出力和承载能力之间切换。

目前，这套系统仍处于研究验证阶段。

骨骼变形依赖电热过程，速度相对较慢；介电弹性体的长期可靠性和电绝缘性能仍需提升；机载高压电路的输出范围也有进一步优化空间。无线机器人主要依靠人工遥控，尚未形成完整的环境感知与自主决策闭环。

研究团队也提出，未来可进一步集成惯性、光学和压力等传感器，让机器人根据自身状态和外部环境，主动选择身体构型、肌肉刚度与运动频率。

到那时，微型机器人的环境适应能力，或许不再取决于它预装了多少种动作。它可以现场决定，自己该趴下赶路、站起来工作，还是展开翼膜，滑向下一个落脚点。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg4524