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文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx1519
超材料+機器人=未來?揭秘“超材料機器人”如何重新定義具身智能!
在傳統機器人里,“材料”往往只是結構的載體——硬、輕、強就好。但近年來,一個全新的前沿方向正在迅速崛起:超材料機器人(Metamaterial Robotics)。
這是由東京大學 & EPFL 團隊最新發表于 Science Robotics 的綜述文章所系統提出的未來機器人新范式。本推文帶你快速了解:
什么是超材料機器人?
它為什么有潛力顛覆機器人形態?
AI如何加速其設計與控制?
01.超材料,讓機器人從“鋼鐵俠”變成“變形金剛”
“超材料”是一類通過微結構幾何設計獲得奇異力學性能的材料,比如:拉伸時反而變“胖”的負泊松比材料、能在多個穩定態間跳變的多穩態結構、像折紙/剪紙一樣隨時折疊展開的結構、對光、熱、磁場等自動響應的智能結構。
這些“會思考的材料”讓機器人輕巧但能承載巨大載荷,只用一個驅動器卻能完成多自由度運動,身體本身就是傳感器、控制器和執行器,無需復雜電子系統即可完成任務
機器人不僅是機械系統,更是一種“由材料直接構成的智能體”。
02.三大設計原則,讓材料直接成為智能系統
文章總結了超材料驅動機器人的三大核心機制:
①結構力學驅動(Mechanics-inspired Design):利用點陣、負泊松比、失穩結構等微結構,實現可編程剛度、快速能量釋放、復雜運動模式等。
②形狀重構(Shape-reconfigurable Structures):Origami/Kirigami/接觸耦合結構實現:折疊→展開2D → 3D多形態模式切換,常用于軟體機器人、多模態運動器、可變形飛行器等。
③材料驅動功能(Material-driven Functionality):響應型材料(光、熱、電、磁…)+ 超材料架構 =可感知+可執行+可控制的材料體。機器人身體自帶感知與反饋,告別復雜電子系統。
03. AI讓材料“會設計、會學習、會思考”
傳統材料與結構設計依賴人的直覺,而 AI 正在改變一切:生成式AI直接生成具備特定力學功能的微結構;數據驅動建模可預測復雜非線性行為;強化學習+物理仿真可自動控制復雜機器人;AI +高保真仿真加速全鏈路設計與優化。
04.未來:機器人≠程序控制的機器,而是“會成長的材料”
團隊在文中提出了超材料機器人未來的愿景:
個體化超材料機器人(Individual metamaterial robotics):身體各處分布的感知、反饋、控制,像生物一樣聰明。邏輯、記憶、神經網絡等直接由結構實現。
集群超材料機器人(Swarm Metamaterial Robots):機器人像螞蟻一樣,自行組合成橋梁、墻體、結構體。甚至是像人類群體一樣,學會互相合作,完成個體不可能執行的任務。
總結
超材料機器人=材料×機器人× AI的未來交叉點。它將使機器人從“由電機驅動的機器”進化到“由材料實現智能”的生命體。從可變形無人機到自適應軟體機器人,從機械邏輯到機器人群集系統,超材料正成為下一代智能機器的基礎。未來的機器人,也許不是單單靠芯片,還可以靠材料本身“動腦”。
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圖1 超材料機器人的發展時間線
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圖2 人形超材料機器人的概念圖
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圖3 超材料驅動機器人的三大核心設計機制
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圖4 基于結構力學驅動的超材料機器人
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圖5 基于可重構結構的超材料機器人
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圖6 基于智能超材料的超材料機器人
圖7 基于多材料超材料的超材料機器人
本文來自“材料科學與工程”公眾號,感謝作者團隊支持。
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