中國(guó)學(xué)者用上萬個(gè)微氣泡造出“魔法肌肉”，用聲波讓機(jī)器人動(dòng)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(cuò)誤，引起了國(guó)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(guó)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(guó)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(yuǎn)博士擔(dān)任共同一作的研究論文登上 Nature，這也是時(shí)隔將近十年超聲驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yuǎn)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(dòng)從微納機(jī)器人擴(kuò)展到介觀軟體機(jī)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(dòng)提供了一種富有潛力的方案，將為軟體機(jī)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(jī)會(huì)。

（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(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)案例。

在第一個(gè)案例中，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種軟體抓手，它由幾個(gè)大小均勻的微泡陣列人工肌肉組成。每個(gè)抓手浸入水中時(shí)可以捕獲大約 10000-20000 個(gè)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(dòng)物)。而本次抓手之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這一能力是因?yàn)椋寒?dāng)使用超聲波進(jìn)行激活的時(shí)候，由人工肌肉組成的抓手就會(huì)向內(nèi)收縮，產(chǎn)生毫牛級(jí)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(shí)候，抓手會(huì)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(huì)對(duì)仔魚造成熱損傷或超聲損傷。“當(dāng)看到這條只有幾毫米長(zhǎng)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(gè)場(chǎng)景是令人興奮的！”張志遠(yuǎn)告訴 DeepTech。

在第二個(gè)案例中，他們展示了一款機(jī)器人皮膚。相關(guān)實(shí)驗(yàn)里包含一個(gè)換能器和一片茶葉，中間放置著機(jī)器人皮膚。當(dāng)打開超聲的時(shí)候，皮膚會(huì)自動(dòng)貼在茶葉上，由于它會(huì)產(chǎn)生反作用力，所以就會(huì)帶著茶葉進(jìn)行擺動(dòng)。值得一提的是，這款機(jī)器人皮膚非常薄，貼在物體上幾乎不會(huì)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(gè)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(gè)仿生游動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人擁有兩片對(duì)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(shí)，憑借快速的響應(yīng)能力，機(jī)器人可以模仿黃貂魚魚鰭的波動(dòng)來進(jìn)行推進(jìn)。據(jù)了解，為了做成這款機(jī)器人，他們累計(jì)設(shè)計(jì)了 6 個(gè)樣式、制作了 30 個(gè)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(chǎng)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該心臟貼片的貼附時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 1 小時(shí)。直到關(guān)閉超聲波的時(shí)候，心臟貼片才會(huì)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(huì)帶來不適感，而且還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)。比如，通過選擇性地激活某一塊，可以實(shí)現(xiàn)局部的力刺激，從而可以進(jìn)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(gè)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(dòng)撕開。有時(shí)已經(jīng)撕了一兩小時(shí)之久，結(jié)果一不小心撕破了，這時(shí)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(shí)還可能是這樣的：患者將載著藥物的微泡人工肌肉吃進(jìn)肚子，人工肌肉會(huì)在胃液的幫助之下實(shí)現(xiàn)溶解和釋放。在超聲的作用之下，人造肌肉會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，最終被貼到一個(gè)固定位置。當(dāng)然，在打造人造肌肉時(shí)也可以選擇 72 小時(shí)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(huì)將其自動(dòng)降解或排出體外。

超聲波與軟體機(jī)器人的結(jié)合

事實(shí)上，此前張志遠(yuǎn)和施展已經(jīng)開展過不少聲學(xué)相關(guān)研究。張志遠(yuǎn)本人具有多年軟體機(jī)器人研究背景，在項(xiàng)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(jī)器人進(jìn)行結(jié)合。這主要是因?yàn)檐洸牧显诔暡ǖ募?lì)之下，不僅存在不同的聲學(xué)匹配參數(shù)，而且其尺寸對(duì)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(dòng)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(dòng)主要面向微米級(jí)別的機(jī)器人，所謂的“機(jī)器人”往往是一個(gè)氣泡、一個(gè)粒子或一個(gè)細(xì)胞。氣泡是一個(gè)非常常用的超聲波驅(qū)動(dòng)單元，單個(gè)氣泡通過振蕩來產(chǎn)生射流，進(jìn)而讓微米級(jí)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)。這種氣泡機(jī)器人比較簡(jiǎn)單，不僅沒有很好的控制力，也無法進(jìn)行很好的擴(kuò)展。

為此，張志遠(yuǎn)思考了以下三個(gè)問題：超聲波和軟體機(jī)器人該如何結(jié)合？超聲波如何驅(qū)動(dòng)一個(gè)軟體機(jī)器人？把氣泡擴(kuò)展到不同的尺度之上會(huì)怎樣？帶著這些問題，張志遠(yuǎn)和施展開展了將聲波和軟體機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合的研究。

研究伊始，需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。一開始，張志遠(yuǎn)帶著一名本科生 Dan Schoenenberger 耗時(shí)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(yuǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方法升級(jí)。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(jìn)行人工肌肉的表征和應(yīng)用驗(yàn)證，并展示了上述三個(gè)案例。

能和臨床超聲技術(shù)進(jìn)行無縫銜接

中等強(qiáng)度的超聲對(duì)于人體沒有任何傷害，在現(xiàn)實(shí)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(dòng)機(jī)器人。

本次成果不僅讓超聲成功驅(qū)動(dòng)了更大尺寸的材料，還真正用在了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上。相比磁控機(jī)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(jìn)行無縫銜接，即能和目前醫(yī)院常用的超聲波探頭進(jìn)行結(jié)合。

另外，本次成果中的氣泡既可以作為驅(qū)動(dòng)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(duì)比效果。醫(yī)院 B 超室平時(shí)使用的造影劑其實(shí)就是氣泡，而本次成果能讓氣泡實(shí)現(xiàn)更加均勻的排列，因?yàn)楫?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?yè)?jù)悉，未來也可以使用 AI 來輔助設(shè)計(jì)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(duì)于氣泡大小的排列乃至于機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)，也可以基于 AI 進(jìn)行設(shè)計(jì)。至于超聲波的頻率，更是可以通過 AI 去進(jìn)行更加靈活的選擇范圍嘗試，這將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 10KHz 到 100KHz 的真人選擇范圍。

在后續(xù)計(jì)劃上：目前在美國(guó)進(jìn)行博士后研究的張志遠(yuǎn)計(jì)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(guó)在西湖大學(xué)做博士后的施展則計(jì)劃基于本次的離體生物實(shí)驗(yàn)，開展基于活體的生物實(shí)驗(yàn)，并將通過產(chǎn)業(yè)研的結(jié)合讓成果實(shí)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