颠覆！刚登Science子刊封面！中国学者用单一材料造出会抓花踢球的机器人，软硬自如！

机器人大讲堂
2025-07-17 22:00:00

刚刚，国际顶级期刊Science子刊《Science Advances》最新一期封面，被一只特殊的“大象”霸屏了。

这只大象能用鼻子轻柔地缠绕花茎，将娇嫩的花朵从花瓶中取出，花瓣完好无损；下一秒，它抬起腿，一脚将保龄球踢出。

但这些都不是重点。

真正颠覆的是：整个机器人——从能举起3倍自重的柔软鼻子，到能承受超过自身重量100%负载的坚硬腿部——全部由同一种弹性树脂打印而成！

没有多材料拼接，没有复杂组装，仅仅通过改变内部的晶格几何结构，一种材料就实现了从25 kPa到50 MPa的刚度变化——这个范围覆盖了生物体内从脂肪到肌腱的大部分软组织！

更疯狂的是，这种方法能创造超过100万种不同的性能组合。如果叠加5个晶格单元，配置数直接飙到7500万种以上！

这项研究由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的CREATE实验室完成，第一作者是来自中国的学者管清华博士和博士生戴犇辉。

这不仅是一次技术突破，它为软体机器人、仿生机械和自适应材料领域开辟了一种新方向，标志着3D打印技术向生物模拟与功能集成迈出了重要一步！

▍如何用一种材料实现软硬自如？

传统观念里，要造一个既有软组织又有硬骨骼的机器人，就得像拼积木一样——软的部分用硅胶，硬的部分用金属，然后想办法把它们粘在一起。

但这种多材料方案问题多多：工艺复杂、成本高昂，最要命的是材料界面容易出问题，一旦界面分离就前功尽弃。

EPFL团队的思路完全不同。他们问了一个看似简单的问题：自然界的生物体能用相似的基础材料构建出软硬差异极大的组织，为什么机器人不能？

答案就藏在微观结构里。

研究团队发现，通过改变材料内部的晶格结构几何形状，同一种弹性树脂就能呈现出截然不同的力学性能。就像同样的积木，搭成不同形状，承重能力完全不同——搭成三角形很稳固，搭成长条形容易弯曲，搭成蜂窝状又轻又结实。

他们用这个原理开发出了两大核心技术。

第一个叫拓扑调节（TR），实现了材料性能的连续渐变。想象一下调色板上的颜色渐变，他们能让材料从软到硬平滑过渡，没有任何突变。具体来说，就是在体心立方（BCC）和XCube两种基本晶格结构之间进行连续过渡。

BCC结构就像一个各方向性能均匀的海绵，而XCube则有明显的方向性——某些方向硬，某些方向软。通过“拓扑指数”调节，可以精确控制两者的混合比例。当这个指数从0变到1，材料就从软绵绵的BCC逐渐变成硬邦邦的XCube。

更妙的是，在同一个结构的不同位置可以设置不同的拓扑指数。比如大象鼻子，根部需要承重所以较硬，越往尖端越需要灵活所以越软，这种渐变就是通过空间变化的拓扑指数实现的。

实验数据让人眼前一亮：采用这种径向梯度设计的弯曲模块，最大弯曲角度达到69.6度，比均匀材料提升了30%。扭转模块更是神奇，通过反向梯度设计能实现78.1度的扭转，而同样的均匀材料只能产生-2.6度的反向扭转。

第二个技术叫叠加编程（SP），通过组合不同方向和位置的晶格单元，创造出更丰富的性能组合。

这就像用乐高积木，同样的基本块，转个方向、移个位置，组合起来功能就完全不同。研究团队开发了方向叠加和平移叠加两种方法。通过改变晶格单元的朝向可以调控各向异性，通过调整单元之间的相对位置可以改变连接强度。

数字听起来很惊人：仅用BCC和XCube两种基本单元，四重叠加就能产生超过400万种配置，五重叠加超过7500万种。但最重要的不是数量，而是性能跨度——同一种材料在不同方向上的剪切模量可以相差10000倍，杨氏模量相差2000倍。

有了这套“材料编程”工具，研究团队开始构建真正的仿生结构。

▍造物新思路：当大象学会了“七十二变”

首先是连续变形的肌肉组织。大象鼻子就是典型代表，30厘米长的鼻子被分成三个功能区：底部的扭转区负责整体转向，中部的弯曲区提供大范围运动，顶部的螺旋区完成精细操作。

每个区域的晶格结构都经过精心设计。晶格梁的厚度从根部的1.3毫米渐变到顶部的0.5毫米，既保证了承载能力，又最大化了灵活性。最让人惊讶的是，整个鼻子仅需4个电机就能完成各种复杂动作。

它能抓取小至0.1毫米的薄膜，大至100毫米的物体，还能举起500克的重物——是自身重量的3倍多。在演示视频中，大象鼻子先是螺旋缠绕在花茎上，然后轻柔地将花从花瓶中取出，整个过程行云流水。

其次是离散分布的骨骼关节。研究团队模拟了三种经典的生物关节：平面滑动关节、单轴关节和双轴关节。

平面滑动关节模仿跗骨间关节，通过在软基体中嵌入硬“骨块”实现双向滑动，最大滑动距离在x方向达30毫米，y方向达25毫米。单轴关节像肘关节或膝关节，能在一个平面内弯曲正负50度。双轴关节最复杂，像腕关节那样可以在任意方向弯曲约40度。

最后是集大成之作——完整的大象机器人。3.89公斤的机器人能额外承载4公斤重量，三足站立时依然稳定，第四条腿可以自由活动，甚至能踢飞保龄球。

脚部设计尤其巧妙，通过结合两种编程方法，实现了前硬后软的刚度分布——前部像大象脚趾一样坚硬支撑，后部像脚跟一样柔软缓冲。开放的晶格结构还带来意外收获，机器人可以在水中行走，因为水能自由流过晶格，大大减少了运动阻力。

▍这项研究，为什么能登上Science子刊封面？

《Science Advances》选择这项研究作为封面，显然不只是因为那只会“耍杂技”的大象够酷。

真正让学术界兴奋的，是EPFL团队打破了一个根深蒂固的工程定律：要实现复杂功能，就必须用复杂材料。猎豹的强劲冲刺、蛇的柔韧滑行、人类的灵巧抓握——自然界用软硬组织的巧妙配合实现了这些神奇动作。但在机器人领域，我们很多时候在用“硬拼”的办法模仿自然。

现在，一块简单的泡沫材料，通过晶格的几何编程，就能拥有超过100万种不同配置。如果叠加5个单元，配置数更是飙升到7500万种以上。这不是数字游戏，而是真实的性能跨度——同一材料在不同方向的剪切模量可以相差10000倍。

从制造角度看，这简直是降维打击。多材料3D打印机？太复杂了。材料界面脱胶？不存在的。复杂供应链？统统拜拜。一台普通光固化打印机加一罐弹性树脂，就能造出以前整个工厂才能完成的复杂机器人。

更妙的是，这种晶格结构天生具备独特优势。就像蜂巢一样，它拥有极高的强度重量比，让机器人既轻盈又强韧。开放的泡沫结构不仅适合在流体中运动——水可以自由穿过晶格，大大减少阻力——还为集成传感器等智能组件预留了空间。

CREATE实验室负责人Josie Hughes教授指出：“这种开放泡沫结构甚至可以嵌入传感器等其他材料，为泡沫赋予更多智能。”这就像给机器人装上了可定制的“生物组织”，未来或许能造出会游泳的机械鱼、会爬树的灵巧猴，甚至帮助瘫痪患者重新行走的外骨骼装置。

当然，挑战依然存在。目前刚度上限距离真实骨骼还有差距，复杂结构的设计优化也需要大量计算。但正如论文展示的，这些都是工程问题，不是原理障碍。

当3D打印学会了结构编程，当泡沫也能拥有“肌肉记忆”，机器人的未来或许比我们想象的更加精彩。毕竟，大自然用了亿万年进化出的软硬配合，现在我们只需要一台打印机就能实现了。这不是科幻，这是正在发生的现实。

论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu9856

参考文献：Qinghua Guan et al.,Lattice structure musculoskeletal robots: Harnessing programmable geometric topology and anisotropy.Sci. Adv.11,eadu9856(2025).DOI:10.1126/sciadv.adu9856

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