會(huì)長(zhǎng)大的機(jī)器人來了！南科大顛覆人形機(jī)器人設(shè)計(jì)，柔性骨骼可縮放

在大多數(shù)人的認(rèn)知里，人形機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是像特斯拉 Optimus 或波士頓動(dòng)力 Atlas 那樣，擁有閃爍著金屬光澤的軀干和力量感十足的關(guān)節(jié)。

然而，近日來自南方科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)在 Science Advances 發(fā)表的重磅成果打破了這一刻板印象：一個(gè)名為 GrowHR、僅重 4.5 公斤的人形機(jī)器人，以人類骨骼為靈感，靠氣囊與織物構(gòu)建“可生長(zhǎng)骨骼”，實(shí)現(xiàn)了身高從 0.49 米至 1.36 米的自由伸縮。它既能擠過窄縫、水面行走，又能被無人機(jī)投送，展現(xiàn)出極強(qiáng)的空間適應(yīng)性。

“GrowHR 的設(shè)計(jì)初衷包含了兩層深意，一是極致的‘?dāng)M人化’，二是突破生物極限的‘超人化’。”這項(xiàng)研究的通訊作者王宏強(qiáng)教授告訴 DeepTech。他多年來專注于靜電柔性驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)機(jī)理模型及其在多場(chǎng)景下的先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)的研究，已建立了靜電柔性驅(qū)動(dòng)的從材料、設(shè)計(jì)方法、分析理論到應(yīng)用技術(shù)等一系列系統(tǒng)性理論和方法成果。王宏強(qiáng)目前任職南方科技大學(xué)研究員、南科大機(jī)器人研究院副院長(zhǎng)。

“擬人”意味著未來的具身智能機(jī)器人應(yīng)當(dāng)像人類一樣探索邊界，擁有去潛水、游泳甚至跳傘的寬廣能力。而“超人”則是指其形態(tài)自適應(yīng)能力在特種作業(yè)中的優(yōu)勢(shì)：它能通過大幅改變身高鉆進(jìn)人類無法進(jìn)入的窄縫或管道執(zhí)行維護(hù)任務(wù)；能實(shí)現(xiàn)“輕功水上漂”，載重 16.2 倍的特性使其成為理想的智能救生裝置。

骨骼里的仿生密碼

人形機(jī)器人因類人外觀和功能，在醫(yī)療、重型勞動(dòng)、搜救等領(lǐng)域潛力巨大，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在三大核心缺陷。

首先是結(jié)構(gòu)的“死板”。傳統(tǒng)機(jī)器人的骨架多由剛性連桿組成，就像一套無法改變尺寸的盔甲。相比之下，人類骨骼通過骨骺板生長(zhǎng)、密質(zhì)骨承重、松質(zhì)骨減震，實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)性與輕量化的完美集成。這種生物界的多功能集成方案，在目前的機(jī)械設(shè)計(jì)中幾乎是空白。

其次是適應(yīng)性的缺失。盡管市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些可生長(zhǎng)機(jī)器人，但它們大多停留在模仿植物藤蔓或細(xì)胞交互的層面，缺乏動(dòng)物級(jí)別的動(dòng)態(tài)承重能力。

最關(guān)鍵的痛點(diǎn)在于安全性。一個(gè)身高 1 米以上的人形機(jī)器人，自重往往超過 40 公斤。這使得它們?cè)谌藱C(jī)交互，比如一個(gè)簡(jiǎn)單的擁抱中，可能變身為危險(xiǎn)的存在。

“我們發(fā)現(xiàn)，自然界作為最好的老師，其生物結(jié)構(gòu)變化的過程為我們提供了重要啟發(fā)。具體而言，骨骼的生長(zhǎng)機(jī)制尤其具有研究?jī)r(jià)值。其并非我們通常理解中的簡(jiǎn)單剛性桿狀物，而是具有豐富的層級(jí)與組成，既具備一定的柔軟性，又擁有必要的硬度，這正好符合我們研制兼具柔性與類骨骼特性的軟體機(jī)器人的設(shè)想。”王宏強(qiáng)表示。

具體而言，仿生骨骼的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)維度：首先，骨骼首先具備足夠的剛性，能夠支撐人體直立，并承受在陸地行走時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷。這種密質(zhì)骨般的高模量特性，保障了機(jī)器人負(fù)重作業(yè)的穩(wěn)定性；其次，與易碎的工業(yè)剛性材料不同，骨骼內(nèi)部擁有類似蜂窩狀的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。

這種多孔層級(jí)設(shè)計(jì)賦予了它卓越的柔性，在受到外部重壓或劇烈沖擊時(shí)能夠有效吸收能量，起到保護(hù)內(nèi)部精密系統(tǒng)的緩沖作用；最后，骨骼擁有可生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化能力，它不僅能隨著年齡增長(zhǎng)而延展長(zhǎng)度，還展現(xiàn)出驚人的環(huán)境適應(yīng)性，這種動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“形態(tài)自適應(yīng)”提供了靈感。

基于此，團(tuán)隊(duì)引入了一種受骨骼啟發(fā)的連桿結(jié)構(gòu)，其延展性高達(dá) 315%，重量?jī)H為 350 克，同時(shí)保持了高負(fù)載能力、順應(yīng)性和穩(wěn)定性。

通過將這些可生長(zhǎng)連桿集成到軟體類人機(jī)器人中，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)形狀自適應(yīng)，其身高可增加高達(dá) 278%，從 0.49 米增長(zhǎng)至 1.36 米，并能在不同高度下行走。

同時(shí)，GrowHR 能穿越低矮開口，例如 0.55 米，僅為機(jī)器人全高的 40.4%，或窄縫，例如 0.25 米，僅為機(jī)器人全寬的 69.5%。通過將可生長(zhǎng)連桿的驅(qū)動(dòng)與伺服電機(jī)相結(jié)合，該機(jī)器人還可以切換到爬行模式，其移動(dòng)速度比單純使用電機(jī)或軟驅(qū)動(dòng)器快 1,122 倍。

圖 | GrowHR（來源：上述論文）

從“空氣城堡”里借來的智慧

在研發(fā)初期，團(tuán)隊(duì)陷入了一個(gè)近乎悖論的困局：人形機(jī)器人若要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的行走控制，必須擁有足夠的剛性；但若要實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)變形與本質(zhì)安全，則必須具備足夠的柔性。如何將這對(duì)矛盾的需求統(tǒng)一在同一個(gè)結(jié)構(gòu)中？是擺在王宏強(qiáng)及團(tuán)隊(duì)面前的第一道難題。

靈感的火花往往閃現(xiàn)于生活的日常。“想到氣囊，是因?yàn)槲移綍r(shí)帶小孩去玩空氣城堡。”王宏強(qiáng)回憶道。他觀察到，空氣城堡是一個(gè)奇妙的載體，它既能產(chǎn)生足夠的支撐力，讓人在上面彈跳（剛性支撐）；又能溫柔地包裹住跌倒的孩子，提供極佳的緩沖（柔性安全）。受空氣城堡的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)決定采用氣囊作為仿生骨骼的核心結(jié)構(gòu)。

然而，將理想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的過程遠(yuǎn)比預(yù)想中艱難。

“生長(zhǎng)”不僅僅是長(zhǎng)度的改變，更是力的維持。團(tuán)隊(duì)最初面臨的挑戰(zhàn)，就是如何讓機(jī)器人在站立狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變形。

在實(shí)驗(yàn)中他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣囊收縮時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的剛性會(huì)隨之下降。王宏強(qiáng)打了一個(gè)生動(dòng)的比方：“就像一個(gè)人打崴腳了，如果腿部沒有肌肉發(fā)力，他就很容易摔倒。”為了防止傾倒，團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保氣囊在低剛度狀態(tài)下，其上層機(jī)構(gòu)依然能保持平衡不發(fā)生傾斜，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在站立狀態(tài)下的平穩(wěn)伸長(zhǎng)與收縮。

當(dāng)機(jī)器人開始邁步時(shí)，新的挑戰(zhàn)接踵而至。物體的剛度是分方向的，團(tuán)隊(duì)此前更關(guān)注軸向（縱向）的壓縮剛度，但在行走時(shí)，隨著腿部的傾斜和抬起，橫向剛度的薄弱會(huì)導(dǎo)致骨骼在自重壓力下發(fā)生彎曲。這是目前市面上所有剛性骨架機(jī)器人從未遇到的問題，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是“鋼鐵骨架”。

為了在柔性與穩(wěn)定之間達(dá)成微妙的平衡，王宏強(qiáng)團(tuán)隊(duì)采取了兩手抓的策略：首先，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。在骨骼側(cè)面增加了細(xì)巧的滑桿裝置，在不破壞整體柔性設(shè)計(jì)的前提下，有效增強(qiáng)了側(cè)向剛度；其次，算法校正。通過精密的控制算法進(jìn)行自動(dòng)校正。即便柔性腿部在抬起過程中產(chǎn)生微小誤差，系統(tǒng)也能通過實(shí)時(shí)計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償，確保每一步都精準(zhǔn)落地。

針對(duì)“氣囊是否易破”的疑問，王宏強(qiáng)解釋道，GrowHR 并非“薄皮氣球”。氣囊外包裹了高強(qiáng)度的“增強(qiáng)織物”層。這層類似衣服的非伸縮性材料，不僅限制了氣囊膨脹以提升剛度，更起到了初步的物理保護(hù)作用。在未來的商業(yè)化預(yù)想中，它還將披上類似武警防刺服的特種材料鎧甲。

剛?cè)岵?jì)的“跨界”進(jìn)化

根據(jù)論文介紹，GrowHR 的整機(jī)重量?jī)H 4.5kg，同時(shí)兼顧出色的載重與緩沖性能。其奧秘就在于團(tuán)隊(duì)對(duì)三種關(guān)鍵材料的差異化應(yīng)用與精密組合。

高拉伸復(fù)合氣囊材料。作為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“生長(zhǎng)”的核心，氣囊材料被賦予了極強(qiáng)的可拉伸性能。它不僅負(fù)責(zé)物理尺寸上的延展，還利用材料本身的彈性為機(jī)器人提供了天然的沖擊緩沖能力。

柔性非伸縮增強(qiáng)織物。為了在不增加重量的前提下提升剛度，團(tuán)隊(duì)在氣囊外層包裹了一種特殊的柔性布料。這種材料具有“不可拉伸但可折疊”的特性，它像緊身衣一樣限制了氣囊的過度膨脹，從而將原本松散的氣囊轉(zhuǎn)化為具備高軸向剛度的支撐連桿。

高性能碳纖維復(fù)合材料。在機(jī)器人最核心的受力部位，如腿部關(guān)節(jié)連接處、電機(jī)固定件等，團(tuán)隊(duì)選用了高強(qiáng)度的碳纖維材料。這種材料在保持極輕自重的同時(shí)，能提供極高的結(jié)構(gòu)剛度，確保了機(jī)器人在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)械精度，使其骨架在承重時(shí)不會(huì)發(fā)生無效變形。

最令人驚嘆的是，GrowHR 不僅能走、能爬、能游、能飛，更在于它在這些迥異的運(yùn)動(dòng)模式間切換的靈活性。“多模式機(jī)器人最核心的挑戰(zhàn)往往不在于單一模式的實(shí)現(xiàn)，而在于模式之間的無縫銜接。”王宏強(qiáng)表示。

圖 | GrowHR 行走、爬行、游泳和飛行（來源：上述論文）

他分享了一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)：團(tuán)隊(duì)曾嘗試讓傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人模仿 GrowHR 從站立切換到爬行，卻發(fā)現(xiàn)這在物理上極難實(shí)現(xiàn)。這就像練習(xí)“下腰劈叉”，下去容易但彈起來極難，因?yàn)閷?duì)手足電機(jī)的力量要求超出了現(xiàn)有極限。而 GrowHR 憑借“可生長(zhǎng)”特性規(guī)避了這一困局：它先將柔性腿部收縮變短，大幅降低重心抬升難度，站起后再充氣“生長(zhǎng)”恢復(fù)身高。

通過劈腿動(dòng)作，GrowHR 僅需 17 秒即可從行走模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕佬心Ｊ健?/p>

在場(chǎng)景適配上，團(tuán)隊(duì)借鑒了人類穿戴裝備的邏輯。比如在水面作業(yè)時(shí)，為其設(shè)計(jì)了“防水泳衣”保護(hù)電路。由于密度極低，它展現(xiàn)出驚人的浮力與負(fù)重平衡能力，甚至能托起自身重量 16.2 倍的物體進(jìn)行水域救援；在空中運(yùn)輸中，4.5 公斤的體量讓它能輕松掛載于四旋翼無人機(jī)下，實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)程部署。

在 GrowHR 的測(cè)試數(shù)據(jù)中，有兩組指標(biāo)極為亮眼：一是其爬行速度比單純使用電機(jī)或軟體驅(qū)動(dòng)快了 1,122 倍；二是其水面載重能力達(dá)到了自身重量的 16.2 倍。“傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人主要靠電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)，而純軟體機(jī)器人則依賴氣囊伸縮實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)。

GrowHR 在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)集成了剛性關(guān)節(jié)與柔性骨骼。通過計(jì)算建模發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種驅(qū)動(dòng)方式合理協(xié)作時(shí)，能夠產(chǎn)生極大的性能爆發(fā)力，從而打破了原有單一驅(qū)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)極限。”

目前，在驅(qū)動(dòng)方案的選擇上，GrowHR 采用伺服電機(jī)與氣泵組合，這只是“先行版本”的折中。團(tuán)隊(duì)真正的核心武器——“靜電人工肌肉（靜電電機(jī)）”將在后續(xù)迭代中接管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)電機(jī)，這種人工肌肉擁有更優(yōu)的功率密度比和更高的精度，能讓機(jī)器人的形態(tài)更趨近完美仿生，并勝任出力要求更高的特種任務(wù)。

邁向“可擁抱”的未來

在具身智能備受關(guān)注的今天，機(jī)器人如何與物理環(huán)境產(chǎn)生安全且高效的交互，是行業(yè)共同的命題。王宏強(qiáng)指出，GrowHR 的一大優(yōu)勢(shì)在于其無需復(fù)雜的上層算法，僅憑其物理結(jié)構(gòu)本身，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的主動(dòng)適應(yīng)。

它像現(xiàn)實(shí)版的“大白”，彈性骨骼能通過形變吸收碰撞能量，不會(huì)像重達(dá)八九十公斤的剛性機(jī)器人那樣在交互中產(chǎn)生破壞性。王宏強(qiáng)曾讓 6 歲的兒子參與碰撞測(cè)試，證實(shí)了輕量化與柔性身軀在人機(jī)交互中的絕對(duì)安全。

盡管在安全性與適應(yīng)性上表現(xiàn)卓越，王宏強(qiáng)也客觀地指出了目前的瓶頸。由于第一版本受限于現(xiàn)有電機(jī)的輸出功率，GrowHR 在執(zhí)行重型負(fù)重任務(wù)時(shí)仍有提升空間。未來的迭代重點(diǎn)，將是在保持輕量化與安全性的前提下，進(jìn)一步增強(qiáng)動(dòng)力系統(tǒng)，使其能夠勝任更復(fù)雜的實(shí)戰(zhàn)化任務(wù)。

對(duì)于人們最關(guān)心的問題：它距離我們的日常生活還有多遠(yuǎn)？王宏強(qiáng)坦言，GrowHR 實(shí)際上已經(jīng)非常接近商業(yè)化的門檻，但從樣機(jī)到商品仍需翻越工程化穩(wěn)定性和軟件算法深度融合兩座大山。

實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)需要向更穩(wěn)定、耐用的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，這涉及極其復(fù)雜的工程系統(tǒng)集成；此外，硬件系統(tǒng)只是“軀干”，未來的商業(yè)版本需要接入更強(qiáng)大的算法，實(shí)現(xiàn)更具情感溫度的人機(jī)交互。

目前，團(tuán)隊(duì)已在開展家居環(huán)境測(cè)試，并與特教領(lǐng)域合作探索輔助自閉癥兒童干預(yù)的可能性。

“我們希望通過這項(xiàng)工作，為行業(yè)探索一種跳出固有思維的范例，”王宏強(qiáng)說道，希望在不久的將來，當(dāng)剛性與柔性真正實(shí)現(xiàn)深度融合，人形機(jī)器人或許將迎來從機(jī)械裝置向仿生生命跨越的又一個(gè)關(guān)鍵里程碑。

1.Hao Liu et al. ,Bioinspired growable humanoid robot with bone-mimetic linkages for versatile mobility.Sci. Adv.12,eaea2831(2026).DOI:10.1126/sciadv.aea2831

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍