受乐高积木启发！清华大学，最新Nature大子刊！

摘要：受自然界动物通过身体变形实现多种运动方式的启发，研究人员发展出两种多模态机器人的设计策略：一种是结合多种驱动元件协同运动，另一种是通过结构变形来切换不同模式。后者因结构更紧凑、更适合微型化而被广泛采用，已被用于开发多种可飞、可爬、可游的机器人。不过，目前常用的

受自然界动物通过身体变形实现多种运动方式的启发，研究人员发展出两种多模态机器人的设计策略：一种是结合多种驱动元件协同运动，另一种是通过结构变形来切换不同模式。后者因结构更紧凑、更适合微型化而被广泛采用，已被用于开发多种可飞、可爬、可游的机器人。不过，目前常用的舵机或大体积的驱动材料限制了机器人进一步小型化。为实现微型机器人灵活变形并能稳定保持形态，科研人员尝试将多种智能材料与变刚度材料组合，但仍难以做到持续变形和在任意形态中锁定，且很难用同一种能量来源同时控制变形与锁定。这成为发展真正小型、多功能、无线控制机器人的主要挑战。

在此，清华大学张一慧教授课题组提出了一种新型小型连续变形致动器（CMA）的协同设计方案，它巧妙结合了两种智能材料的优势：液晶弹性体实现精确可编程的连续变形，形状记忆聚合物则提供高刚度变化来锁定几何形状，两者都可通过电热控制来操作。这种灵感来源于乐高积木的设计理念，通过灵活组合具有不同变形能力的基础单元，可以构建出各种复杂形状的CMA（如"变形金刚"、"飞机"等）。这种装置不仅变形能力强、承重性好，还能应用到多个领域，比如会变形的显示屏、能在跑车和飞机形态间切换的微型机器人，展示了广阔的应用前景。相关成果以“Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking”为题发表在《Nature Machine Intelligence》上，第一作者为Shiwei Xu

CMA的设计和演示

图 1a–c展示了一种基本的 CMA的设计理念、工作原理和结构，该装置能在任意驱动状态下锁定自身变形。CMA 由多层材料组成，包括驱动用的液晶弹性体（LCE）带和形状记忆聚合物（SMP）带，以及用于加热的铜电极、支撑层和保护层等（图 1c）。通过加热，LCE 收缩引发 CMA 弯曲，随后冷却 SMP 可将当前形状“记住”，再冷却 LCE 即可实现“无能耗”保持形状的锁定状态。不同加热温度会产生不同弯曲程度，实现持续可控的变形与锁定（图 1a、1b）。为实现更复杂结构，研究者提出了一种“乐高式”的逆向设计方法，通过将五种壳形和五种块形执行器单元（图 1d）合理拼装，构建复杂结构。每种单元都能实现特定类型的形变（如弯曲、扭转、折叠等）。设计过程从将目标形状拆分为基础几何单元开始，再与可实现相应形状变化的执行器匹配，最终拼装出如“变形金刚”般的机器人结构，可在初始形态、汽车形态和人形之间反复切换（图 1e）。这种设计策略展示了 CMA 在柔性机器人微型化与多形态变换上的巨大潜力。

图1：设计概念，原理和演示执行器能够连续形状变形和锁定的执行器

CMA的理性设计方法和性能

图 2a–c展示了基本 CMA 的设计方法，并揭示了其驱动性能（如弯曲角度和刚度变化）与关键设计参数（如 SMP 和 LCE 的厚度、LCE 的预应变和施加电压）之间的关系。结果显示，0.15 mm 厚的 SMP 能在实现大弯曲角的同时减少形状锁定后的回弹（图 2a）。通过调整 LCE 的预应变和施加电压，CMA 的弯曲角度可从 0° 调节至 480°（图 2b）。此外，由于 SMP 在高温下会显著软化，CMA 在常温与高温之间展现出明显的刚度变化（图 2c）。图 2d 展示了通过协调控制 SMP 和 LCE 电压，实现连续形变与锁定的五种代表性形态。驱动速度、循环性能和驱动力也在图 2e 中给出，结果表明提高 LCE 电压可显著缩短响应时间，例如从 2V 时的 16 秒缩短至 2.5V 时的 8 秒（弯曲角为 100°）。图 2f 将 CMA 与其他具备锁形能力的先进驱动器进行了对比，表明本研究开发的 CMA 尽管尺寸更小（最小仅 4 mm），却能实现更大的形变幅度，展现出优异的性能和微型化潜力。

图2： CMA的设计方法和性能

具有多功能形状变形功能的执行器

图 3a(i)-(iv)展示了一种乐高式设计策略，能将不同形状的驱动单元灵活组装，构建出多种可变形结构。通过组合壳状驱动单元，研究人员制作了能变化形态的飞机、可以抓握圆柱体的仿生手、具有四种飞行姿态的起重机、可变背靠和椅腿的椅子、能张开的立方体和可开合的花朵等（图 3a(i),(ii)）。而利用块状单元组装，还可构造可展开的三维结构，如展开式立方盒子、带可展开轮子和车厢的小车，以及拥有可展开机翼和尾部的飞机（图 3a(iii),(iv)）。图 3b 展示了一个“海龟”结构的反向设计示例：该结构可从紧凑形态展开为游泳状态（状态 I），再转变为行走状态（状态 II）。

图3：具有多功能形状变形功能的几何复杂的执行器

连续形态的3D显示器和轮式微型机器人

图 4 展示了 CMA在实际应用中的强大能力。它不仅能实现多种稳定形态，还能承重，并集成 LED、电机、摄像头等功能器件，广泛适用于智能展示和机器人系统。比如，图 4a 显示了一个会“开花”的可变形花朵，每片花瓣和叶片都由壳型 CMA 构成，可独立控制形状，还嵌有 LED 显示不同“绽放”状态。图 4b 展示了一个立体变形展示系统，模拟蝌蚪变成青蛙的过程。图 4c–h 展示了一款小型轮式机器人，它初始为平面结构（图 4d），可变形成跑车、展开机翼变为“滑翔翼车”，甚至扩展车厢变成“货运车”，灵活应对复杂地形如跳跃悬崖（图 4e、f）。该机器人还能根据负载调整形态，运送不同重量的货物（图 4g），并通过搭载摄像头实现环境监测（图 4h）。这些图例说明，CMA 能实现持续、可控的变形与锁定，为未来智能机器人和多功能设备的设计带来更多可能

图4：连续形态的3D显示器和轮式微型机器人

轻巧的陆生式微型机器人

图 5 展示了一种基于轻质可形变驱动器设计的小型陆空两用微型机器人（尺寸 9×9 cm，重 25 g），具备高负载能力和灵活形变功能。机器人配备两对壳型 CMA，分别用于切换螺旋桨在飞行模式（图 5b 中状态 I 和 IV）与地面模式（状态 II 和 III）间的转换，以及控制起落架升降。通过红外与遥控模块配合，它能在不同材质地面上（如布料、石头、土壤等）稳定变形并完成行驶或飞行任务。实验证明，机器人可灵活越过障碍，例如通过不同高度通道（图 5c）、穿越树洞、飞跃岩石（图 5d–f），表现出优异的环境适应性。在地面移动中，其速度可达 18.20 倍体长每秒（图 5g），远超多数同类机器人，且能耗低，地面模式仅为 5.18 W。变形所耗电量不足电池总能量的 1.7%，支持长时续航。相比大多数依赖伺服电机实现变形的机器人（体积大、重量重），本研究中的机器人因采用 CMA 实现高效可锁定形变，在尺寸、速度和能效方面表现更优（图 5i），为微型多功能机器人设计提供了全新方向。

图5：轻巧的陆地式小型机器人的概念设计和演示

小结

本研究通过材料与结构的协同设计理念，结合乐高式拼装策略，开发出可在任意中间状态实现连续变形并保持形状的柔性驱动器（CMA）。实验证明，这种CMA可广泛应用于可变形3D显示器、多模式轮式微型机器人和陆空两栖机器人等场景，展现出极强的多功能适应性。例如，图 5 展示的陆空两栖机器人不仅体积小、重量轻，还能以 18.2 体长/秒的速度快速移动，并灵活应对复杂地形。未来，CMA还可拓展用于具备缠绕功能的“变形爪”、集成柔性传感器实现闭环控制，或开发适用于水陆空环境的防水版CMA。在较大机器人中，因响应速度和精度受限，CMA可能不如伺服电机，但它仍适合构建可穿戴触觉设备，并具备在植入式医疗器械、可调电磁装置以及多模态微型机器人中的应用潜力。