超越大腦智能！Scienc子刊：具身超材料機器人來了

想象一下：當你的手指觸碰到灼熱的表面時，是先在腦中完成一段時間的縝密思考，再發出“很燙，必須縮回”的指令？還是在感受到痛覺的瞬間，就本能地把手指移開？答案顯而易見，是后者。

然而，當前的具身機器人依然存在“離散驅動 + 離散傳感”的局限，對環境的響應遲鈍且缺乏本能。

為實現人類智能般的具身智能，機械超材料（Mechanical metamaterials）正成為熱門研究領域之一。超材料類似一體化自感知驅動器：傳感與驅動在同一材料或結構中完成，通過結構設計直接產生功能。

當機器人不再依賴核心計算，而是讓“智能”分布在全身，具身智能才真正成為可能，進而催生出具身機器人的下一個范式——具身超材料機器人（Humanoid Metamaterial robotics）。

圖｜具身超材料機器人

日前，在權威科學期刊 Science Robotics 刊發的一篇綜述中，東京大學助理教授 Xiaoyang Zheng 團隊及其合作者探討了 3 個改善機器人功能的超材料設計原則，以及超材料機器人建模方面的挑戰和如何利用人工智能（AI）技術指導更有效的設計。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx1519

在他們看來，超材料機器人有潛力重塑機器人系統與環境交互的方式——從剛性、集中式機器演變為能夠自組織、自學習和自主進化的自適應、智能集體。

超材料的 3 個設計原則

超材料通常由特定構型重復排列的構建單元組成，從而產生集體行為和可調性。將多功能超材料物理嵌入機器人可增強其感知、驅動和控制等多項功能。Xiaoyang Zheng 團隊及其合作者提出了超材料的3個設計原則：受力學啟發的可變形架構實現可編程運動、借鑒折紙藝術的可重構結構提升柔韌性，以及基于刺激響應材料的智能感知功能。

這些原則為設計機器人提供了多樣化途徑。

1.力學啟發架構

機器人的身體不應只是一個支撐結構，還應具備通過自身變形完成任務的能力。超材料結構讓材料本身成為功能來源，而不僅是外殼。

晶格（Lattices）通過周期性結構實現高剛度、輕量化和可調柔性。它們能支持自組裝、分布式感知、可變剛度等功能，還能通過特殊幾何實現扭轉、耦合等非常規運動方式。

負泊松比材料（Auxetics）在壓縮時會整體收縮、拉伸時整體擴張，使機器人在減少機械系統里用于驅動動作的部件數量下實現運動和抓取。它們還能構成高靈敏傳感器、多自由度管狀驅動器，以及可連續變形的曲面結構。

通過設計單穩、雙穩、多穩態結構，彎曲等不穩定行為被轉化為功能，用于強力驅動、高速跳變、仿生運動和多狀態形變。這類結構讓機器人具備快速響應、形態切換和可編程重構能力。

圖｜力學啟發架構的設計變量、工作原理、功能特性及機器人應用

2.可重構形態結構

機器人在運動時常需要大幅度改變自身形狀，而這些變化受到結構彎曲、拉伸、屈曲等力學行為的限制。

可重構結構——包含折紙（origami）、切紙（kirigami）以及基于接觸的構型耦合——通過改變連接處的幾何形態，讓材料在二維與三維之間自由切換。折紙和切紙依靠柔性折痕與剛性面板實現結構重構，而接觸耦合通過滾動或互鎖單元實現模塊化的自由變形。

這些設計讓機器人更靈活、更易傳遞力，并減少控制復雜度。

圖｜可重構形態結構的設計變量、工作原理、功能特性及機器人應用

3.材料驅動功能

用于驅動、傳感和控制的“響應性超材料”的關鍵在于材料本身就能響應光、熱、磁場等外界刺激，并在結構設計的配合下同時承擔“驅動—傳感—控制”的功能，相當于一個簡化的“傳動器 + 傳感器 + 控制器”套裝，無需額外零件。

用于可編程功能的“多材料超材料”通過組合不同屬性的材料，讓它們在受刺激時產生應變差，從而形成可控的內部應力，實現可編程的形變與動作。材料差異提供功能來源，結構設計決定響應方式，兩者配合可實現可調剛度、可逆變形、自主運動以及多刺激解耦等復雜能力。

圖｜材料驅動功能的設計變量、工作原理、功能特性及機器人應用

不足與未來展望

盡管已有超材料設計原則的理論指導，但當前的超材料機器人仍無法對傳感、驅動、計算、通信等環節進行完全集成，只能實現部分集成。實現超材料機器人的功能完全集成還需進行統一設計框架、可擴展制造、混合建模、自主進化平臺等。

進一步，研究團隊還分別探討了個體超材料機器人和群體超材料機器人的具身形態。如下：

1.個體超材料機器人

個體超材料機器人通過材料和結構本身實現嵌入式智能。低級機器人利用分層圓柱形晶格結構獲得機械魯棒性，同時可進行簡單的信息處理和存儲。高級機器人則模仿復雜生物體，結合分布式感知網絡、人工肌肉和柔性骨骼，實現自主感知、決策與運動。此外，新興技術進一步引入量子機器學習、神經形態計算等，可在機器人內部形成微型“大腦”，使其實現高度自適應行為。

2.群體超材料機器人

超材料結構單元的基于接觸的耦合提供了一種機制，使得不同尺寸和形態的機器人之間能夠進行物理交互和協調，從而能夠創建機器人群體。這些群體由具有專業化感知、驅動和控制能力的機器人組成能執行更復雜的任務，對環境變化更具韌性。

超材料機器人通過融合材料、力學與機器人技術，將感知、驅動和計算功能直接嵌入到材料的微觀結構中，從而賦予機器人自適應的具身智能。

展望未來，機器人將作為自組織、松散耦合的團隊發揮功能，在跨度上實現學習、通信和協作，達到更高水平的智能，比如在生物醫學領域中遞送靶向藥的微尺度機器人群體，在太空探索任務中的米尺度機器人群體等。機器人的智能將不再僅限于算法代碼，而植根于構成其身體的物質本身。

整理：瀟瀟

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