Science Advances：单一材料打造多功能仿象机器人

2025年7月，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)机械工程研究所CREATE实验室的科研团队在Science Advances期刊上发表了题为Lattice structure musculoskeletal robots: Harnessing programmable geometric topology and anisotropy 《晶格结构肌肉骨骼机器人：利用可编程几何拓扑和各向异性》的研究论文，展示了一款突破性的仿象机器人。这款机器人展现出强大的多样化能力，能够用象鼻轻柔地摘取花朵，也可以有力地踢出保龄球。



重塑象体解剖学
在自然界中，动物依靠具有不同硬度和强度的肌肉、肌腱和骨骼协同运动。例如，大象的象鼻柔软灵活，而腿部则坚固有力。研究团队希望在机器人中复制这种运动范围和力量，但不增加结构复杂性和重量。


△大象机器人

为此，他们发明了两种核心技术。一种称为"拓扑调控"(Topology Regulation, TR)，能够逐渐混合两种不同的晶格形状，创造出从柔软到坚硬过渡的部件。另一种是"叠加编程"(Superposition Programming, SP)，通过堆叠或旋转晶格图案，控制材料在特定方向上的强度或柔韧性。研究人员表示这种方法实现了刚度特性的连续空间混合，允许无限范围的混合单元格。特别适合复制象鼻等肌肉器官的结构。



精妙设计
研究团队利用TR技术打造了平滑灵活的象鼻，能够弯曲、扭转和卷曲。象鼻由沿长度缓慢变化形状的晶格构成，分为扭转、弯曲和螺旋三个部分，仅使用四个电机和几根肌腱协同工作，可以抓取花朵等物体而不会压碎它们。


△大象机器人用它的机器人鼻子夹住一朵花

而机器人的腿部则采用SP技术创建强壮的关节和骨骼。这些关节可以在一个或两个方向上移动，使机器人能够行走、保持平衡，甚至踢出保龄球。腿部的某些部分坚硬能够承重，而其他部分则更柔软更具适应性，就像真正的大象腿一样。


△大象机器人踢保龄球

机器人的每个部分都设计用于执行特定的动作或任务。例如，脚部前端更坚硬以提供支撑，而后部则更柔软，类似于真象脚掌的缓冲特性。

一种材料，无限可能
尽管制造这款机器人仅使用一种3D打印材料（弹性树脂），但设计可能性却是巨大的。通过改变内部晶格的形状和布局，研究团队表示他们可以创造出超过一百万种不同的单元类型。


△大象机器人的设计

每个晶格块可以根据其形状或层叠方式具有不同的刚度。有些设计用于抵抗弯曲，有些则易于扭转，有些则兼具两种特性。这赋予了机器人逼真的运动和精确性，同时保持轻量化和简单的构建方式。

研究人员表示："像蜂窝一样，晶格的强度重量比可以非常高，使机器人极为轻便高效。开放式泡沫结构非常适合在流体中运动，甚至可以在结构中加入其他材料，如传感器，为泡沫提供更多智能。"

超越象形：广阔的应用前景
这种新型机器人构建方式可应用于多个领域。在医疗保健领域，可定制的假肢能够模仿真实的肌肉和骨骼；在搜索和救援中，像动物一样移动的机器人可以被设计成穿过狭窄或危险的空间；在制造业中，轻量级机械臂可以处理精细或重型物体。研究团队表示，他们的方法未来可以扩展到更坚硬或更柔软的材料。他们还看到了在晶格泡沫内部添加传感器或其他智能系统的潜力，创造出不仅强壮灵活而且智能的机器人。

目前，这款仿象机器人证明了结构与材料同等重要。通过将单一材料塑造成数百万种形式，工程师们解锁了对机器人外观、运动和感觉的新层次控制。随着机器人技术的不断发展，这种"可编程结构"可能会改变机器设计的方式。