Science Advances：單一材料打造多功能仿象機器人

2025年7月，南極熊獲悉，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)機械工程研究所CREATE實驗室的科研團隊在Science Advances期刊上發(fā)表了題為Lattice structure musculoskeletal robots: Harnessing programmable geometric topology and anisotropy 《晶格結(jié)構(gòu)肌肉骨骼機器人：利用可編程幾何拓撲和各向異性》的研究論文，展示了一款突破性的仿象機器人。這款機器人展現(xiàn)出強大的多樣化能力，能夠用象鼻輕柔地摘取花朵，也可以有力地踢出保齡球。



重塑象體解剖學(xué)
在自然界中，動物依靠具有不同硬度和強度的肌肉、肌腱和骨骼協(xié)同運動。例如，大象的象鼻柔軟靈活，而腿部則堅固有力。研究團隊希望在機器人中復(fù)制這種運動范圍和力量，但不增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和重量。


△大象機器人

為此，他們發(fā)明了兩種核心技術(shù)。一種稱為"拓撲調(diào)控"(Topology Regulation, TR)，能夠逐漸混合兩種不同的晶格形狀，創(chuàng)造出從柔軟到堅硬過渡的部件。另一種是"疊加編程"(Superposition Programming, SP)，通過堆疊或旋轉(zhuǎn)晶格圖案，控制材料在特定方向上的強度或柔韌性。研究人員表示這種方法實現(xiàn)了剛度特性的連續(xù)空間混合，允許無限范圍的混合單元格。特別適合復(fù)制象鼻等肌肉器官的結(jié)構(gòu)。



精妙設(shè)計
研究團隊利用TR技術(shù)打造了平滑靈活的象鼻，能夠彎曲、扭轉(zhuǎn)和卷曲。象鼻由沿長度緩慢變化形狀的晶格構(gòu)成，分為扭轉(zhuǎn)、彎曲和螺旋三個部分，僅使用四個電機和幾根肌腱協(xié)同工作，可以抓取花朵等物體而不會壓碎它們。


△大象機器人用它的機器人鼻子夾住一朵花

而機器人的腿部則采用SP技術(shù)創(chuàng)建強壯的關(guān)節(jié)和骨骼。這些關(guān)節(jié)可以在一個或兩個方向上移動，使機器人能夠行走、保持平衡，甚至踢出保齡球。腿部的某些部分堅硬能夠承重，而其他部分則更柔軟更具適應(yīng)性，就像真正的大象腿一樣。


△大象機器人踢保齡球

機器人的每個部分都設(shè)計用于執(zhí)行特定的動作或任務(wù)。例如，腳部前端更堅硬以提供支撐，而后部則更柔軟，類似于真象腳掌的緩沖特性。

一種材料，無限可能
盡管制造這款機器人僅使用一種3D打印材料（彈性樹脂），但設(shè)計可能性卻是巨大的。通過改變內(nèi)部晶格的形狀和布局，研究團隊表示他們可以創(chuàng)造出超過一百萬種不同的單元類型。


△大象機器人的設(shè)計

每個晶格塊可以根據(jù)其形狀或?qū)盈B方式具有不同的剛度。有些設(shè)計用于抵抗彎曲，有些則易于扭轉(zhuǎn)，有些則兼具兩種特性。這賦予了機器人逼真的運動和精確性，同時保持輕量化和簡單的構(gòu)建方式。

研究人員表示："像蜂窩一樣，晶格的強度重量比可以非常高，使機器人極為輕便高效。開放式泡沫結(jié)構(gòu)非常適合在流體中運動，甚至可以在結(jié)構(gòu)中加入其他材料，如傳感器，為泡沫提供更多智能。"

超越象形：廣闊的應(yīng)用前景
這種新型機器人構(gòu)建方式可應(yīng)用于多個領(lǐng)域。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，可定制的假肢能夠模仿真實的肌肉和骨骼；在搜索和救援中，像動物一樣移動的機器人可以被設(shè)計成穿過狹窄或危險的空間；在制造業(yè)中，輕量級機械臂可以處理精細或重型物體。研究團隊表示，他們的方法未來可以擴展到更堅硬或更柔軟的材料。他們還看到了在晶格泡沫內(nèi)部添加傳感器或其他智能系統(tǒng)的潛力，創(chuàng)造出不僅強壯靈活而且智能的機器人。

目前，這款仿象機器人證明了結(jié)構(gòu)與材料同等重要。通過將單一材料塑造成數(shù)百萬種形式，工程師們解鎖了對機器人外觀、運動和感覺的新層次控制。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，這種"可編程結(jié)構(gòu)"可能會改變機器設(shè)計的方式。