华人团队开发光驱动软体机器人，连跳500次不用干预，腾空自我复位

许多人小时候都玩过折纸青蛙。用手按住它的尾部再松开，纸青蛙便会突然弹起。但每跳一次，人们都要重新按压，让它再次蓄能。许多软体装置也一样，可以跳得很高，却无法独自准备好“下一跳”。

若要反复跳跃，机器人既要储存并快速释放弹性能，还要处理空中姿态、落地状态和重新蓄能等问题。以往方案通常需要人工复位、机械锁扣，或者周期性改变外部刺激。任何一个环节失效，连续运动都会中断。

近日，北卡罗来纳州立大学尹杰研究团队给出了解决方案，成员包括漆方杰、周才植、清海涛、孙昊泽和洪尧烨。他们把液晶弹性体软环与刚性 V 形尾部结合，让装置在恒定红外光照下完成储能、起跳和复位。论文于 8 月 27 日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

实验中，这枚毫米尺度的软环连续跳跃超过 500 次，无需反复开关光源或手动复位。优化构型的垂直跳跃高度超过自身高度的 80 倍，稳定定向跳跃距离超过自身长度的 3 倍，还能在斜坡、草地、湿沙和碎石等表面持续运动。

此外，团队进一步改变材料与尾部设计，使软环可以入水、划行并重返岸边。由此，该研究还实现了从陆地连续跳跃到水陆两栖运动的拓展，展示了这套自主储能与复位机制在不同环境中的适应性。

在空中准备好“下一跳”

这款软体机器人的主体是一根液晶弹性体杆。研究人员将它弯曲成环，并用一段短铝管连接两端，在接合处形成带有尖角的刚性 V 形尾部。圆环的对称性由此被打破，尾部既充当起跳时拍击地面的“脚”，也为软环的扭转设置了一道几何障碍。

液晶弹性体是这款机器人的核心材料，能够将光或热刺激转化为形变。受到红外光照射后，材料表面升温，并沿预设方向收缩。由于受光一侧和背光一侧存在温度差，环体随之由外向内翻转并持续扭转，如同一根逐渐拧紧的橡皮筋，将输入的热能转化为储存在形变中的弹性能。

图｜恒定光照下连续跳跃（来源：论文配图）

为了避免柔软圆环只在原地翻滚或扭转，研究人员在环体上加入了刚性 V 形尾部。它会抵抗环体的转动，并在几何约束下向环内弯曲、逐渐抬起，由此提高能量释放的门槛，使软环在起跳前储存更多扭转能和弯曲能。

达到临界状态后，原本缓慢发生的形变会转为快速突跳。旋转的尾部在约 30 毫秒内向内翻转并拍击地面，储存的弹性能随即转化为动能，将整个环体弹向空中。论文记录的一个典型构型以约 47° 离地，向前跃出约 34 毫米，相当于 1.7 倍体长。

离开地面后，尾部不再与地面接触，已经扭紧的软环开始解扭并恢复原形。这意味着，软环在飞行过程中同步完成复位，确保落地时已经接近下一次起跳所需的初始状态。持续红外光随后再次驱动环体扭转，使储能、释放和恢复形成封闭循环。

值得注意的是，这种复位是“自主”发生的。机器人不需要机载传感器、电子控制器和人工复位，也不依赖按固定节奏变化的光照。红外灯从始至终保持开启，起跳与复位时机均由材料响应、能量积累和结构失稳共同决定，这也构成其与许多单次软体跳跃装置的主要区别。

相较于此前的软体跳跃装置，这种设计突破了复位次数、恢复周期和光照条件等方面的局限。聚合物圆片依靠蒸发只能完成少量弹跳，燃烧驱动装置的循环次数有限，利用遮光效应复位的系统则对照射方向较为敏感。新装置通过软环与 V 形尾部的配合，把稳定起跳、空中复位和再次蓄能纳入同一循环。

为进一步解释软环的突跳机制，研究团队采用静态和动态 Cosserat 杆模型，描述其扭转、弯曲和能量释放过程。

模型显示，随着扭转角增加，弹性能不断上升，到达不稳定状态后又快速转化为动能。另外，加入地面接触和摩擦后，模拟还能复现蓄能、起跳、空中解扭及落地的完整过程。

在复现完整跳跃过程的基础上，静态模型还解释了 V 形夹角和环体长度如何影响突跳。当夹角缩小或环体长度缩短时，软环需要积累更大的扭转角才会失稳，起跳前储存的弹性能也会随之增加。

相反，当环体变长、夹角接近 180° 时，整个结构更接近普通圆环，扭转过程趋于稳定，也就难以再触发足以驱动跳跃的突跳。

把运动方式写入结构

在解释软环如何完成自复位后，研究人员进一步考察几何结构如何影响运动方式，并尝试让跳跃变得更加稳定、方向更加明确。实验显示，V 形尾部夹角与红外光强共同决定软环最终采用哪种运动模式。

图｜夹角与光强调控步态（来源：论文配图）

研究发现，尾部夹角约为 30° 至 80° 时，较高的能量门槛使它更倾向于垂直起跳。夹角增加至 80° 至 110°，运动转为向前跳跃。继续增加至 110° 以上，环体逐渐接近圆形，突跳消失，机器人只会缓慢爬行。

在尾部夹角约为 60° 时，软环的垂直跳跃高度超过 80 倍体高。夹角约为 95° 时，某些样品可向前跃出约 72 毫米，即 3.6 倍体长，但过多的扭转能也会使其在空中后翻 180°，落地后朝向反转。因此，跳得远不等于能够稳定地沿同一方向前进。

除了尾部夹角，红外光强也值得考究。当光强较弱、输入能量不足时，软环难以达到突跳阈值。但光照过强又会带来热软化、形变锁定和运动方向不稳定。实验得到的较优中间光强约为 0.49 W·cm⁻²，在较宽的夹角范围内支持垂直或水平跳跃。这说明外部能量与几何结构需要共同匹配。

此外，为抑制运动中可能发生的后空翻，团队在软环圆钝的一端加装铜箔配重，使质心向前移动。类似跳水运动员在起跳时将身体前倾，前移的质心能够减小起跳推力造成的旋转。

实验显示，夹角为 80°、头部配重比例为 25％ 时，软环以约 40° 至 50° 的角度起跳，稳定跃出约 75 毫米，相当于 3.1 倍体长。

通过改变夹角和质量分布，研究人员便能在爬行、垂直跳跃和定向跳跃之间调整运动模式。不过，这里的“控制”发生在设计和制造阶段，机器人运行后无法实时判断目标。它的运动倾向预先编码在形状、质量和材料响应之中，体现的是一种机械层面的自调节能力。

在平地上明确参数作用后，研究人员进一步将软环放入障碍和自然地形，检验它能否承受意外接触。面对两道高度约为 5 倍体高的平行障碍，软环既可以直接越过，也可能先撞上第一道障碍。当尾部被卡住时，持续扭转反而会产生额外推力，帮助它跨过下一道障碍。

面对更高的墙面时，软环会依据碰撞角度出现翻转、短暂受困或反弹。翻转后的环体可以利用镜像对称结构改变行进方向，即使在跳跃过程中被夹在墙面与地面之间，也可能借助下一次尾部拍击脱困。

图｜复杂地形连续越障（来源：论文配图）

团队还比较了不同自然表面对运动轨迹的影响。草地可以支撑较高、较快的跳跃，但方向最不稳定。湿沙会延长通过时间，却能提供较平滑的轨迹。覆盖物的表现介于两者之间，偶尔导致机器人受困或向后跳。软环展示的是持续尝试和碰撞恢复能力，还谈不上精确的自主路径规划。

在陆地实验之外，研究人员还将同一套扭转、释放和复位机制扩展到水面。他们在液晶弹性体中加入约 2％ 的还原氧化石墨烯以增强吸光，增加疏水涂层，并换用延长的方形尾部。软环由此可以漂浮，并通过尾部周期性拍水获得推进力。

图｜水陆两栖运动过程（来源：论文配图）

由于水的散热速度快于空气，软环的水面运动周期约为 1 秒，短于陆地跳跃约 20 秒的蓄能周期。原本负责拍击地面的尾部转而推动水体，使它从连续跳跃切换为水面划行。

当软环抵达倾斜岸边，延长尾部在水下突跳产生更强推力，帮助毫米尺度的身体克服水面张力并落到岸上。研究团队还让它在漂浮叶片之间切换跳跃、游动和爬行。需要说明的是，两栖实验使用了经过专门改造的构型，原始软环并未同时具备论文展示的全部运动能力。

在未来，若能结合无线供能、自然光能量采集、环境传感和通信，这类不携带复杂控制系统的软体机器人或将用于环境监测、群体机器人或狭窄地形探索。

参考资料：

1.https://news.ncsu.edu/2026/08/soft-robots-jumping-forever/

2.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2607940123

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成