连跳500次不用管，华人团队造出自主复位软体机器人

一个毫米大小的软环，在恒定红外光照射下连续跳跃超过500次，全程不需要人工复位、不需要开关光源、不需要任何传感器和控制器。这是北卡罗来纳州立大学尹杰研究团队近日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的成果——他们把液晶弹性体软环与刚性V形尾部结合，让跳跃装置第一次实现了真正的"自主连续跳跃"。

这项研究的核心突破在于：此前的软体跳跃装置大多只能跳一次。跳完之后，要么人工按压复位，要么依赖机械锁扣，要么需要周期性改变外部刺激。任何一个环节失效，连续运动就会中断。而这款新装置把储能、起跳、空中复位和再次蓄能纳入了同一个循环，让"下一跳"的准备过程在空中自动完成。

把"下一跳"的准备写进结构里

这款机器人的主体是一根液晶弹性体杆，被弯曲成环状，用一段短铝管连接两端，在接合处形成带尖角的刚性V形尾部。这个看似简单的结构设计，解决了软体跳跃装置长期存在的核心难题。

液晶弹性体是核心材料，能把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，像一根逐渐拧紧的橡皮筋，把输入的热能转化为储存在形变中的弹性能。

但如果没有刚性V形尾部，柔软圆环只会原地翻滚或扭转。V形尾部会抵抗环体的转动，并在几何约束下向环内弯曲、逐渐抬起，从而提高能量释放的门槛，让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。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。

飞行途中完成复位

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，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，储能、释放和恢复形成封闭循环。

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——这正是它与许多单次软体跳跃装置的主要区别。

相较于此前的方案，这种设计的优势很明显：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。

几何结构决定运动方式

研究团队进一步考察了几何结构如何影响运动方式。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：

• 尾部夹角约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
• 夹角超过110°，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60°时，软环的垂直跳跃高度超过80倍体高。夹角约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。跳得远不等于能够稳定地沿同一方向前进。

红外光强同样关键。光强较弱时，软环难以达到突跳阈值；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。

为抑制后空翻，团队在软环圆钝的一端加装铜箔配重，使质心向前移动。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。

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。

从陆地到水面：同一套机制的两栖拓展

在平地上明确参数作用后，研究人员将软环放入障碍和自然地形中检验。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。

不同自然表面的表现也有差异：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。

团队还将同一套机制扩展到水面。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。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。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。

这项研究的价值在于把"运动方式"直接写入了结构本身。不需要复杂的控制系统，不需要频繁的外部干预，仅靠材料响应和几何设计就能实现连续跳跃、越障和水陆两栖运动。对于毫米尺度的软体机器人来说，这种"结构即控制"的思路，或许比堆砌传感器和算法更实用。