清華新聞網4月21日電 形狀重構能力可賦予機器人豐富多樣的運動模式,，極大提升機器人的環(huán)境適應能力,。當前，這類機器人主要通過兩種方式來實現(xiàn)形態(tài)改變：一是采用舵機等機械結構精確重構,；二是依靠智能材料制成,、兼具變形和鎖定能力的變剛度驅動器。對于研究人員而言,，減小電機尺寸與質量并實現(xiàn)其復雜變形能力頗具挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有驅動器在小尺度（如<5cm）下，難以同時實現(xiàn)連續(xù)的形狀變化與構型鎖定,，也難以達成同源且解耦的變形與鎖定控制,，嚴重制約了多模式機器人向微型化與無線化發(fā)展。
近日,，清華大學航天航空學院,、柔性電子技術國家級重點實驗室（柔電國重）張一慧教授課題組采用材料與結構協(xié)同設計的策略，提出了一種具有連續(xù)形狀變化和構型鎖定能力的薄膜形電熱響應驅動器的設計概念,。與其他具有變形及鎖定能力的驅動器相比,，該類驅動器具有最小的尺寸以及最大的彎曲變形角度。在此基礎上,，課題組研制了具有復雜變形模式的薄膜單胞和塊體單胞,，進而構建起一套“搭積木”式的設計方法，可用于制備具有復雜形狀重構能力的驅動器（如“變形金剛”等）（圖1）,。
圖1.具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅動器,。（a）為驅動器的變形和鎖定示意圖；（b）為基于“搭積木”設計策略的“變形金剛”驅動器,。（比例尺：10mm）
該驅動器具備優(yōu)異的變形和鎖定能力以及較強的承載特性,，可作為可重構外骨骼，用以集成傳感器,、電機等功能元器件,，進而構建復雜的機器人系統(tǒng)（圖2）?；诖?，課題組設計制備了具有復雜變形重構能力的三維顯示器件、可在多種構型（如“跑車”“飛車”和“貨車”）間切換的多功能微型輪式機器人，以及世界上最小,、最輕的微型無線陸空兩棲機器人（體長9cm,；質量25g；其地面運動速度為每秒18.2個身長）,。
圖2.基于該驅動器的可重構系統(tǒng),。（a）為多功能微型輪式機器人；（b）為微型陸空兩棲機器人,；（c）-（d）為微型陸空兩棲機器人的戶外運動場景展示,。（比例尺：（a）10mm、（b）30mm）
4月18日,，相關研究成果以“具有連續(xù)三維變形和鎖定能力的可重構機器”（Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking）為題,，在線發(fā)表于《自然·機器智能》（Nature Machine Intelligence）。
清華大學航天航空學院,、柔性電子技術國家級重點實驗室（柔電國重）教授張一慧為論文通訊作者,，航天航空學院2020級博士生徐世威為論文第一作者。論文作者還包括清華大學航天航空學院2021級博士生胡笑男,、2024級博士生臧傳奇,、2023級博士生羊佑舟、2022級博士生賴禹辰,、2018級博士生鄔軍,，航天航空學院博士后楊若曦、肖越,、劉文博,、龐文博、劉卿,，柔電國重副研究員柏韌恒,，以及清華大學機械工程系副教授趙慧嬋、北京航空航天大學教授文力,、北京航空航天大學博士生田博丞和李磊,。研究得到國家自然科學基金委、科學探索獎,、清華大學國強研究院等的資助,。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s42256-025-01028-4
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
