中國學(xué)者用上萬個微氣泡造出“魔法肌肉”，用聲波讓機器人動起來

一百多年前，清末著名科學(xué)家徐壽發(fā)表聲學(xué)論文《考證律呂說》，糾正了伯努利定律的錯誤，引起了國際學(xué)術(shù)界的注意。這篇論文后來被翻譯成英文，于 1881 年在 Nature 雜志上發(fā)表，成為可考證的中國科學(xué)家在 Nature 上發(fā)表的第一篇論文。

一百多年后，又一篇出自中國青年學(xué)者之手的聲學(xué)論文登上 Nature——2025 年 10 月 29 日，由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院施展博士和張志遠博士擔(dān)任共同一作的研究論文登上 Nature，這也是時隔將近十年超聲驅(qū)動機器人相關(guān)研究再次得到 Nature 的青睞。

圖 | 相關(guān)論文（來源：https://www.nature.com/articles/s41586）

圖 | 張志遠和施展（來源：資料圖）

研究中，他們和合作者首次將超聲驅(qū)動從微納機器人擴展到介觀軟體機器人，成功開發(fā)出一種含有微氣泡的、可以通過超聲波控制的新型人工肌肉。他們解鎖了控制人工肌肉多模態(tài)變形的能力，為無線驅(qū)動提供了一種富有潛力的方案，將為軟體機器人、可穿戴技術(shù)、觸覺技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展帶來新機會。

（來源：施展等人/瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

“毫發(fā)無損”的斑馬魚仔魚

為了展示所設(shè)計微泡人工肌肉的柔順性、可編程性和生物相容性，他們打造了三個實驗案例。

在第一個案例中，他們設(shè)計了一種軟體抓手，它由幾個大小均勻的微泡陣列人工肌肉組成。每個抓手浸入水中時可以捕獲大約 10000-20000 個微泡。在受到超聲刺激后，抓手在 100 毫秒內(nèi)抓住了一只斑馬魚仔魚（下稱“仔魚”）。當(dāng)超聲刺激停止后，幼魚很容易地游走了。

此前，這類抓手一般都比較硬，很難在無損的情況下有效抓起比較柔軟的生物 (水母和一些小型模式動物)。而本次抓手之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這一能力是因為：當(dāng)使用超聲波進行激活的時候，由人工肌肉組成的抓手就會向內(nèi)收縮，產(chǎn)生毫牛級別的輸出力，從而能夠抓住斑馬魚的仔魚；當(dāng)關(guān)閉超聲波的時候，抓手會自然松開。

值得注意的是，仔魚可以自由地游出，這說明人工肌肉的力度非常合適，不會對仔魚造成熱損傷或超聲損傷。“當(dāng)看到這條只有幾毫米長的仔魚在你面前被穩(wěn)穩(wěn)抓住，然后又不給它帶來任何傷害，以至于它能輕松地游走，這個場景是令人興奮的！”張志遠告訴 DeepTech。

在第二個案例中，他們展示了一款機器人皮膚。相關(guān)實驗里包含一個換能器和一片茶葉，中間放置著機器人皮膚。當(dāng)打開超聲的時候，皮膚會自動貼在茶葉上，由于它會產(chǎn)生反作用力，所以就會帶著茶葉進行擺動。值得一提的是，這款機器人皮膚非常薄，貼在物體上幾乎不會帶來體積或重量的增加。

（來源：施展等人/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

在第三個案例中，他們打造出一款仿生應(yīng)用，即通過模仿黃貂魚做出一個仿生游動機器人。該機器人擁有兩片對稱的魚鰭，每片魚鰭上都有不同尺寸的氣泡陣列。在掃頻激活時，憑借快速的響應(yīng)能力，機器人可以模仿黃貂魚魚鰭的波動來進行推進。據(jù)了解，為了做成這款機器人，他們累計設(shè)計了 6 個樣式、制作了 30 個模板和 60 余片樣品，最終才做成了論文中所展示的應(yīng)用場景。

適形生物貼片

為了展示本次成果在生物醫(yī)療中的應(yīng)用潛力，他們展示了一種心臟貼片。當(dāng)超聲波激活的時候，人工肌肉就可以適形的貼在豬的離體心臟上。

（來源：施展等人/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

實驗結(jié)果顯示，該心臟貼片的貼附時間長達 1 小時。直到關(guān)閉超聲波的時候，心臟貼片才會從心臟上面脫離。這意味著，它具有較好的自由度和靈活度，并能以任意方式貼在任何物體的表面，未來貼在人體上不會帶來不適感，而且還可以進行遠程驅(qū)動。比如，通過選擇性地激活某一塊，可以實現(xiàn)局部的力刺激，從而可以進行局部使用比如藥物釋放和應(yīng)力刺激等。

心臟貼片的打造花了施展不少精力，施展告訴 DeepTech：“心臟貼片是一個厚度在 100 微米左右的薄膜，由于薄膜和晶圓貼附得比較緊密，因此需要慢慢地手動撕開。有時已經(jīng)撕了一兩小時之久，結(jié)果一不小心撕破了，這時所有程序都得重新來過。我也是重復(fù)了多次之后才終于做成。”

未來將本次成果用于人體時還可能是這樣的：患者將載著藥物的微泡人工肌肉吃進肚子，人工肌肉會在胃液的幫助之下實現(xiàn)溶解和釋放。在超聲的作用之下，人造肌肉會繼續(xù)運動，最終被貼到一個固定位置。當(dāng)然，在打造人造肌肉時也可以選擇 72 小時可降解的材料，這樣一來當(dāng)其將所有藥物釋放完畢之后，人體就會將其自動降解或排出體外。

超聲波與軟體機器人的結(jié)合

事實上，此前張志遠和施展已經(jīng)開展過不少聲學(xué)相關(guān)研究。張志遠本人具有多年軟體機器人研究背景，在項目初期探索中，他發(fā)現(xiàn)此前并未有人將超聲波和軟體機器人進行結(jié)合。這主要是因為軟材料在超聲波的激勵之下，不僅存在不同的聲學(xué)匹配參數(shù)，而且其尺寸對于超聲波來說較為碩大。另一方面，聲波與軟物質(zhì)的交互動力學(xué)關(guān)系也極為復(fù)雜而尚未充分被探索。

已有的聲波驅(qū)動主要面向微米級別的機器人，所謂的“機器人”往往是一個氣泡、一個粒子或一個細胞。氣泡是一個非常常用的超聲波驅(qū)動單元，單個氣泡通過振蕩來產(chǎn)生射流，進而讓微米級機器人實現(xiàn)向前運動。這種氣泡機器人比較簡單，不僅沒有很好的控制力，也無法進行很好的擴展。

為此，張志遠思考了以下三個問題：超聲波和軟體機器人該如何結(jié)合？超聲波如何驅(qū)動一個軟體機器人？把氣泡擴展到不同的尺度之上會怎樣？帶著這些問題，張志遠和施展開展了將聲波和軟體機器人進行結(jié)合的研究。

研究伊始，需要進行參數(shù)設(shè)計和實驗設(shè)計。一開始，張志遠帶著一名本科生 Dan Schoenenberger 耗時半年之久，探索了該選擇怎樣的制造方法以及如何確定人工肌肉的厚度和氣泡體積。

后來，該本科生在畢業(yè)之后離開課題組，施展加入本次課題，并和張志遠進行了實驗方法升級。即改用微納加工來做模具，以及通過光刻技術(shù)來圖案化微柱，這樣一來不僅能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度，還能打造出尺寸很小的氣泡。

（來源：施展等人/瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

接著，他們又引入旋涂技術(shù)，借此做出極薄的人工肌肉。基于此，他們開始進行人工肌肉的表征和應(yīng)用驗證，并展示了上述三個案例。

能和臨床超聲技術(shù)進行無縫銜接

中等強度的超聲對于人體沒有任何傷害，在現(xiàn)實生活中人們按需去做 B 超已經(jīng)成為常態(tài)。盡管超聲已被深度用于人類生活，但是此前很少有人使用超聲來驅(qū)動機器人。

本次成果不僅讓超聲成功驅(qū)動了更大尺寸的材料，還真正用在了動物實驗上。相比磁控機器人來說，本次成果的好處在于無需另外搭建一套設(shè)備來進行驅(qū)動。因此，此次成果所使用的超聲波技術(shù)可以和臨床超聲技術(shù)進行無縫銜接，即能和目前醫(yī)院常用的超聲波探頭進行結(jié)合。

另外，本次成果中的氣泡既可以作為驅(qū)動單元，也可以作為成像單元。相比其他材料，氣泡具有明顯的聲學(xué)對比效果。醫(yī)院 B 超室平時使用的造影劑其實就是氣泡，而本次成果能讓氣泡實現(xiàn)更加均勻的排列，因為當(dāng)氣泡稍微出現(xiàn)變形，就能通過彩超或多普勒觀察到它的變化。

另據(jù)悉，未來也可以使用 AI 來輔助設(shè)計不同氣泡的組別，甚至可以設(shè)置幾十組以上的氣泡組別。而對于氣泡大小的排列乃至于機器人的外形設(shè)計，也可以基于 AI 進行設(shè)計。至于超聲波的頻率，更是可以通過 AI 去進行更加靈活的選擇范圍嘗試，這將會遠遠超出 10KHz 到 100KHz 的真人選擇范圍。

在后續(xù)計劃上：目前在美國進行博士后研究的張志遠計劃將微流控以及多層結(jié)構(gòu)和本次成果加以結(jié)合；而目前已經(jīng)回到中國在西湖大學(xué)做博士后的施展則計劃基于本次的離體生物實驗，開展基于活體的生物實驗，并將通過產(chǎn)業(yè)研的結(jié)合讓成果實現(xiàn)落地，最終做成人體可用的醫(yī)療裝備和手術(shù)器件。

參考資料：

Shi Z?, Zhang Z?, Schnermann J, Neuhauss SCF, Nama N, Wittkowski R, Ahmed D: Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature (2025). doi: 10.1038/s41586-025-09650-3

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09650-3

排版：劉雅坤