来源：DeepTech深科技
迄今为止全球最小、最轻的微型无线陆空两栖机器人来了！它的体长仅 9cm，质量为 25g。
这项研究来自清华大学张一慧教授团队，这款机器人具有优异的多模式运动能力：不仅能实现空中飞行，还能在地面以最高 1.6m/s 的速度奔跑，并具备实时固定变形形态的独特性能。
该研究的核心技术突破在于创新性地采用了材料与结构协同设计策略，提出了具有连续形状变化和构型锁定能力的薄膜形电热响应驱动器新设计概念。
基于此，研究人员开发出一种类似“搭积木”的复杂驱动器构建方法，成功研制出一系列小尺寸但具备复杂变形能力的驱动器。其中，迷你版“变形金刚”驱动器高度仅 4.5cm，质量轻至 0.8g。
图丨“变形金刚”的人形态与车形态（来源：课题组）
研究人员进一步将该类驱动器作为可重构外骨骼，设计制备了具有复杂变形重构能力的三维显示器件，以及可在多种构型（如“跑车”“飞车”和“货车”）间切换的多功能微型轮式机器人。
图丨微型轮式机器人（来源：课题组）审稿人认为这项工作极具创新性，“因为它探索了一种在先前的研究中未曾涉及的变形概念，并且展示了极具说服力的成果。”
近日，相关论文以《具有连续三维变形和锁定能力的可重构机器》（Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking）为题发表在 Nature Machine Intelligence[1]。清华大学博士生徐世威是第一作者，张一慧教授担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature Machine Intelligence）用类似“搭积木”的组装策略，实现机器人按需变形重构
形状重构能力可赋予机器人丰富多样的运动模式，极大提升机器人的环境适应能力。目前，机器人主要通过两种方式来实现形态改变：第一种是基于舵机等机械结构进行精确重构，例如人形机器人和四足机器狗；第二种则是采用具有变形和锁定双重功能的由智能材料构成的驱动器，例如曾登上 Nature 封面的仿生海龟机器人 [2]。
然而，减小电机尺寸与质量并实现其复杂变形能力颇具挑战。当前，小尺寸（如小于 5cm）驱动器存在技术瓶颈，难以同步达成连续的形状改变与构型锁定，也不易实现同源且相互独立的变形和锁定控制，这极大阻碍了多模式机器人朝着微型化、无线化方向发展。
为突破这一技术瓶颈，研究团队运用材料与结构协同设计方法，提出了一种新型薄膜状电热响应驱动器的设计制造方法，该驱动器具备连续形状变化和构型锁定功能。
这种设计具有三大技术优势：一是能够连续形状变化与构型锁定的功能集成；二是显著减轻了驱动器质量并缩小了尺寸；三是驱动器锁定构型具有较强的承载能力，使其可作为可重构外骨骼实现微型机器人的复杂形态变化。
在具体实现路径上，该课题组建立了完整的设计体系：首先基于力学理论和仿真模拟技术，实现了驱动器变形效果的精准预测；随后通过精密加工工艺，成功实现了薄膜和块体驱动器单胞制备；更重要的是，他们开创性地提出了一套逆向设计方法——从目标功能与变形效果出发，反向推导驱动器单胞的组成与搭接方式。
图丨薄膜和块体驱动器单胞（来源：课题组）徐世威对 DeepTech 解释说道：“这种类似乐高积木的组装策略，使搭建的驱动器可作为机器人外骨骼，‘即插即用’地实现机器人按需变形重构。”
图丨基于“搭积木”设计策略的“变形金刚”驱动器（来源：Nature Machine Intelligence）具体来说，驱动器单胞间主要采用胶水对准粘接工艺，赋予其优异的可拆卸性与替换性。这种模块化的构建方式极大提升了机器人的功能拓展能力，通过添加不同单胞作为外骨骼组件，即可快速赋予机器人全新功能，满足多样化应用需求。
图丨微型陆空两栖机器人（来源：Nature Machine Intelligence）以轮式机器人为例，运用该逆向设计方法，可针对性构建关键驱动器单胞，实现“跑车”“飞车”和“货车”三种形态的灵活转换，为微型机器人设计提供了全新范式。
该研究始于 2022 年 11 月，在整个过程中研究人员攻克了多项关键技术难题。首要挑战在于小尺寸驱动器的开发方面，传统变体机器人多采用体积大、质量重的伺服电机实现形态变换，严重制约小型化发展。
研究人员通过创新的“材料-结构”协同设计，巧妙组合了两种智能材料——液晶弹性体和形状记忆聚合物，并在结构中引入热隔离空腔，首次实现了小尺寸驱动器在电热驱动下的可控连续变形与锁定功能。
需要了解的是，驱动器在电热驱动时最高温度约为 70℃，这对其在柔性电子及可穿戴设备的应用具有一定局限性。为解决该问题，研究人员开发了具备不同玻璃化温度（Tg）的形状记忆聚合物及不同相转变温度（TNI）的液晶弹性体。
该驱动器可用于构建可变形电子器件，通过构型改变实现其功能切换。此外，由于该驱动器还具备较强的承载能力以及变刚度特性，有望构建用于 VR/AR 的触觉反馈器件。
第二个重大挑战在于驱动器与微型机器人系统的无缝集成。为实现陆空两栖机器人的可控形态切换及多模式运动，该课题组对驱动器的尺寸、厚度等参数进行了系统优化，同时对机器人的旋翼尺寸、旋翼间距及电机型号等关键参数进行了精细设计。经过室内外复杂环境下的稳定性测试与迭代优化，最终成功实现了机器人的稳定运行。
回顾历时两年多的研究过程，徐世威特别提到一个难忘时刻：“2023 年除夕夜，当校园一片寂静时，我们实验室仍灯火通明。经过反复优化设计和实验验证，我终于在跨年之际成功实现陆空两栖机器人的形态切换，并完成其在复杂环境中的陆地与空中运动模式间的转换。这一突破不仅是对个人科研坚持的回报，更是团队协作与智慧的结晶，也更加坚定了我在科研创新道路上继续探索的决心。”
“小”身板，“大”应用
这款陆空两栖机器人系统凭借其突出的变形/锁定能力以及强大的运动性能，在多个领域展现出广阔的应用前景：
在安防与救援领域，其多模式运动能力及微小身躯使其能在复杂地形中实现障碍物穿越与裂缝飞越，特别适用于灾后搜救和狭窄空间探测等场景。
在环境探测方面，模块化集成的多类型传感器系统支持陆地、空中及复杂过渡地形的全域数据采集，可提供实时、精准的环境监测数据。
在智能家居应用上，该机器人凭借独特的空间适应能力和陆地长续航特性，可实现家居设备的智能巡检与维护，显著提升居家安全性和便利性。
在医疗器械领域，该技术可延伸应用于可展开式植入设备开发，如智能电子支架、微型无影灯等，为微创手术提供创新解决方案。
此外，在可穿戴和消费电子领域，这项技术有望推动三维动态显示界面、VR/AR 触觉反馈系统等新一代人机交互产品的发展，亦可加速新形态电子器件的发展，如声控自主折叠电子产品，将显著提升用户体验。
图丨张一慧（左）与徐世威（右）（来源：张一慧、徐世威）张一慧教授曾入选 2016 年《麻省理工科技评论》全球“35 岁以下科技创新 35 人”。在柔性电子器件与微型机器人技术快速发展的时代背景下，他带领团队长期专注于力学引导的三维微纳结构及电子器件组装制造方法研究，在力学理论、设计方法及新形态电子器件与系统制造等方面取得系列具有原创性的研究成果。
基于所创建的三维组装制造方法，该团队先后研制出微型软体攀爬机器人、具有仿生三维架构的电子皮肤、具有传感能力的球帽状电子细胞支架等创新器件及系统。
此外，团队还提出基于多级点阵结构的网状材料设计新概念，建立了其非线性细观力学大变形理论模型，制备出可精确匹配生物组织力学性能的仿生材料，以及具有超大负溶胀、可编程多稳态特性等非常规性质的力学超材料，并据此研制出用于生物软组织再生的柔性网状支架等新型器件。
徐世威是 2020 年加入该课题组的博士生，他创新性地融合了液晶弹性体驱动应变定制化设计策略与屈曲组装技术，成功研发出三维电响应驱动器，其不仅能定制三维构型，还可调节刚度 [3]。基于该技术，徐世威开发的微型软体机器人（体长 6-90mm，质量 0.2-3g）实现了在多种材质及不同形貌墙面上的自主攀爬与不同墙面间的过渡运动，突破了传统爬壁机器人的环境适应性限制。此外，他还建立了基于镀膜辅助固形策略和屈曲组装方法的独立三维结构固形效果解析力学模型，为复杂三维驱动器的设计提供了坚实的理论基础 [4]。
该课题组在微型驱动器领域的后续研究中将聚焦三个方向：
一是探索更多功能材料与结构组合方案，进一步提升驱动器的响应速度、能效比和稳定性，以满足更高精度、更高负载、多场景切换的应用需求。“由于微型机器人的电池体积非常小，续航能力有待提升，因此我们将探索太阳能电池等方式对锂电池进行能量补充。”徐世威说。
二是深入推进驱动器与机器人系统的智能化和集成化，包括引入高性能柔性传感器，结合 AI 芯片运算实现“感-驱-控”一体的闭环控制系统，从而提升微型机器人在复杂环境下的自主决策能力。
三是积极拓展该类驱动器在可穿戴电子领域的应用边界，探索其在智能医疗、人机交互等更多场景的潜在价值 [5]。
对此，徐世威提出了一种体内诊疗机器人的构想：未来可通过口服内置微型机器人的智能胶囊实现体内介入诊疗。该胶囊搭载的机器人兼具自主运动与外部磁场精准导航功能，能经消化道抵达指定病灶，如肠道息肉处。当胶囊到达目标位置后，外壳破裂释放机器人，机器人在变形后抓取、切除病灶，术后自动降解，规避传统手术残留风险。
此外，机器人集成多模态传感元件，可附着于心脏表面采集心电信号等生理指标，或缠绕血管、神经进行血流参数监测、神经电信号采集等原位检测，以运动、操作、感知一体化设计，推动精准医疗向微创、智能、全周期方向发展，为消化道、心血管等腔内疾病诊疗开辟新路径。
考虑到新型驱动系统和微型机器人技术的特殊性，研究人员认为，未来在技术成熟后，将优先考虑与具有场景落地能力的行业伙伴展开深度合作。
参考资料：1.Xu S, Hu X, Yang R, et al. Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking. Nature Machine Intelligence, 2025, 10.1038/s42256-025-01028-4
2.Baines R, Patiballa S K, Booth J, et al. Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis. Nature, 2022, 610(7931): 283-289. 10.1038/s41586-022-05188-w
3.Pang W†, Xu S†, Wu J, et al. A soft microrobot with highly deformable 3D actuators for climbing and transitioning complex surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(49): e2215028119. 10.1073/pnas.2215028119
4.Xu S, Tang Z, Yang R, et al. A mechanics model of coating-assisted strategy for shape fixation of 3D mesostructures based on buckling-guided assembly. European Journal of Mechanics-A/Solids, 2025, 111: 105549. 10.1016/j.euromechsol.2024.105549
5.Xu S, Yang R, Yang Y, et al. Shape-morphing bioelectronic devices. Materials Horizons, 2025,10.1039/D5MH00453E
运营/排版：何晨龙
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