科學家受犰狳啟發，造出可按需調節的軟體機器人主動形變防護骨骼

柔軟，是軟體機器人最大的優勢，也是它們最致命的弱點。

過去十余年間，軟體機器人與柔性電子領域經歷了爆發式增長。從能夠在狹窄管道中蠕動穿行的軟體蛇形機器人，到貼合人體皮膚的可拉伸傳感器，柔性使這些裝置獲得了傳統剛性機器人無法比擬的環境適應能力與安全交互性。

然而，一個根本性的工程矛盾是，賦予它們柔軟特質的那些彈性體材料，在面對沖擊、穿刺乃至日常碰撞時，幾乎毫無招架之力。柔性電子器件被意外踩踏后即告報廢，軟體機器人在野外作業中遭遇尖銳物體，便可能被“開膛破肚”。

2026 年 5 月 27 日，北卡羅來納州立大學的朱勇教授團隊在《科學-進展》（Science Advances）上發表了一篇封面文章，提出一種受犰狳啟發的主動變形骨骼系統，在單一結構中同時實現了自適應形變與按需力學防護。

（來源：https://www.science.org/toc/sciadv/12/22）

這項工作將生物體中的“驅動-變形-互鎖-強化”機制轉化成了可制造、可編程、可預測的工程結構，研究團隊將其命名為“形變互鎖防護模塊”（morpho-interlocking protective module, MIPM）。它讓一片柔軟的薄片結構在檢測到外部威脅后，能夠自主蜷曲成一個剛性閉合球體，從而保護內部載荷。

軟體機器人的阿喀琉斯之踵

在材料科學的基本邏輯中，柔性（compliance）與防護（protection）近乎天然對立。防護要求材料具有高剛度和高強度來抵抗外力侵入，柔性則要求材料能夠大幅度彎曲變形而不斷裂。傳統剛性機器人用金屬外殼便能獲得可靠防護，代價是喪失了與柔軟環境交互的能力。

因此，在朱勇教授團隊看來，軟機器領域長期存在一個核心矛盾：柔性賦予系統變形、貼合和適應環境的能力，但也使其在沖擊、穿刺或擠壓等威脅下更容易失效。

過去數年間，研究者們已經嘗試從自然界尋找靈感來彌合這一裂隙。2019年，麻省理工學院與哈佛大學等機構的研究者在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表了受石鱉（chiton）鱗片啟發的柔性鎧甲設計，通過3D打印的鑲嵌鱗片陣列在柔性基底上實現了防護與彎曲的兼顧。穿山甲鱗片、魚鱗結構等生物原型也被相繼轉化為工程方案。

然而，這些設計解決的核心問題是靜態的柔性與防護權衡，它們本質上是一層被動覆蓋在柔性結構表面的鎧甲，其剛度分布在制造完成后就已確定，無法根據外部環境的變化進行動態調整。換言之，它們是穿上就脫不下來的盔甲。

一堂來自犰狳的防御設計課

犰狳是哺乳動物中極為獨特的一支。全球現存約二十余種犰狳，它們都擁有覆蓋身體的骨質甲片（一種由真皮層骨化形成的外骨骼結構）。但在所有犰狳物種中，只有三帶犰狳屬（Tolypeutes）的兩個物種：巴西三帶犰狳（Tolypeutes tricinctus）和南方三帶犰狳（Tolypeutes matacus），可將整個身體蜷縮成一個幾乎完全閉合的剛性球體。

圖 | 犰狳蜷縮圖示（來源：受訪者提供）

這種行為在生物學上被稱為球縮防御，是一種主動的、由神經肌肉系統驅動的防御策略。與其他犰狳不同，三帶犰狳的甲片之間存在可活動的帶狀區域，頭部和尾部在蜷曲時能夠精確互鎖，形成密封的球形殼體，使捕食者的爪牙無從著力。九帶犰狳（Dasypus novemcinctus）等其他物種由于甲片數量過多、帶間活動度不足，無法完成這一動作，遇到威脅時只能選擇挖洞逃遁。

但球縮防御遠不只是把身體卷起來這么簡單。它的力學基礎在于一種獨特的內骨骼結構：異關節脊柱。犰狳的腰椎相鄰椎骨之間，除了哺乳動物通常具有的關節突之外，還額外發育出了一組獨特的附屬關節面，這些附加關節提供了額外的脊柱間聯鎖支撐。

這種外骨骼提供覆蓋防護、內骨骼提供結構剛度、肌肉系統提供主動驅動的三方協同，使三帶犰狳能夠在柔軟活動狀態與剛性防御狀態之間快速切換，它們也因此成了朱勇團隊試圖在人工結構中復現的設計藍本。

圖 | 仿生設計理念（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

解剖一副人造犰狳骨骼

MIPM 的設計者之一，這項研究的第一作者，北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程系的博士后研究員周建宇（Jianyu Zhou）告訴 DeepTech，他們選擇將犰狳的防御解剖學邏輯轉譯成了一個由三個功能層協同運作的工程結構。

最外層是外骨骼。它由一系列分段式弧形鱗片構成，材料是 3D 打印的光固化樹脂。與此前仿生鎧甲中常見的平板式剛性鱗片不同，為仿照犰狳甲片的球縮過程，MIPM 的外骨骼鱗片被設計為順應曲率變化的弧形幾何構型：當結構從平展狀態彎曲為球形時，鱗片能夠沿曲面連續貼合，始終保持對下方組織的覆蓋。

最內層是內骨骼，它的設計靈感直接來源于犰狳的異關節脊柱。研究團隊用高強度紙材折疊成一系列脊狀褶皺結構，并在其中嵌入了一排由剛性聚合物制成的節段鱗片（segmental scales）。

當 MIPM 處于平展的柔性狀態時，這些節段鱗片彼此分離，不干涉結構的整體彎曲。但當結構蜷曲到一定曲率后，相鄰的節段鱗片會像拼圖一樣相互咬合、鎖定，形成一個剛性的內部承載骨架。

研究團隊通過實驗測量、有限元仿真和理論建模三方交叉驗證，發現內骨骼的長度、間距以及折紙界面的幾何參數，共同決定了最終在目標曲率下的接觸和承載效果。例如，包含 10 個節段鱗片的內骨骼，在互鎖狀態下能夠承受約 10 牛頓的集中載荷。

圖 | 力學響應與分析（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

而在外骨骼與內骨骼之間的中間層——感知與驅動層，則是整個系統得以“活起來”的神經與肌肉。這是一個由四種不同功能材料疊合而成的復合結構，每一層材料都扮演著不可替代的角色。

最靠近外骨骼一側的是液晶彈性體（LCE）層。作為一種將液晶分子的取向有序性與聚合物網絡彈性結合的智能材料，LCE 在此處扮演著“人工肌肉”的角色。室溫下，液晶基元保持各向異性的有序排列，材料處于伸展狀態；當溫度升高至液晶相向各向同性相轉變的臨界溫度時，有序排列被打破，導致材料發生高達 20% 以上的宏觀收縮。

（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

緊鄰 LCE 層的是一層應變傳感器，由彈性聚合物基底嵌入銀納米線（AgNW）網絡構成。銀納米線是朱勇課題組長期深耕的研究方向之一。

在 MIPM 中，AgNW 網絡充當了“神經末梢”的角色：當外部力量觸及結構表面時，彈性基底形變引起電阻變化，傳感器會將信號傳至控制單元觸發防御反應。通過改變銀納米線濃度和基底彈性模量，觸發閾值可按需調節，從輕微觸碰到顯著沖擊，靈敏度范圍寬廣。

（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

傳感器層之下是一層聚酰亞胺薄膜（Kapton），作為一種在航空航天和電子工業中廣泛使用的高性能聚合物，Kapton 以其優異的熱穩定性和化學惰性著稱。在 MIPM 中，這一層的功能十分巧妙：它在加熱時膨脹，而與之相鄰的 LCE 層在加熱時收縮。一脹一縮的差異應變就構成了經典的雙層致動器機制，驅動整個結構產生定向彎曲變形。

最底層是一層可將電信號轉化為熱信號、連接感知與驅動的導電織物加熱層。當控制單元接收到傳感器的威脅信號后，就會向這層導電織物通電，產生焦耳熱，熱量向上傳導，激活差異收縮機制，驅動結構變形。

為了防止局部過熱導致界面失配，研究團隊還專門設計了可編程的分布式加熱通道，能更精準地調節局部加熱區域、加熱時間和飽和溫度，在確保快速驅動的同時，讓材料始終工作在相對安全的溫度范圍內。

四層功能材料與外骨骼、內骨骼組合在一起，最終形成 MIPM 的完整工作回路：當外力作用于結構表面，傳感器檢測到形變將信號傳至控制單元，驅動通電后，焦耳熱激活 LCE 收縮與 Kapton 膨脹，進而實現定向卷曲，外骨骼覆蓋、內骨骼咬合鎖定，最終完成從柔性到剛性球體的轉變。整個過程形成自主閉環，無需人工干預。

如何讓這些剛性的 3D 打印骨骼與柔軟的驅動層協調變形，不發生界面脫粘或過度限制彎曲？

秘密在于連接處的“折紙式連接界面”與材料表面處理。 周建宇告訴DeepTech，如果剛性骨骼直接貼附在柔性的彈性體層上，大變形產生的剪切力極易導致層間剝離。

為此，團隊在剛硬的骨骼和柔軟的驅動層之間設計了一層可轉動、可折疊的“折紙過渡結構”，將整體的大形變分解為局部的微小轉動，極大降低了界面剪切應力。同時，他們通過等離子體表面處理增強了不同軟材料層之間的結合力，在材料和結構設計兩端鎖死了脫粘的風險。

團隊這一設計理念與犰狳體內肌肉與骨骼的整合方式高度一致：驅動力直接作用于骨骼框架本身，保證結構響應的協調性和力學效率。

不只是蜷縮

在此基礎上，研究團隊進一步展示了 MIPM 的多模態變形行為。除了防御性蜷縮，結構還能夠實現滾動和抓取等動作模式。

圖 | MIPM 的保護性操作能力（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed251

在概念驗證實驗中，研究團隊讓 MIPM 攜帶易碎載荷在模擬惡劣環境中完成了保護任務，結構成功抵御了沖擊、穿刺和集中載荷等多種外力作用。

據周建宇介紹，團隊還在結構端部引入了磁吸附設計。一旦MIPM卷縮成保護形態，它不需要持續的電能輸入，僅靠磁吸附與內骨骼互鎖就能維持在剛性防護狀態。這種“變硬自鎖后零能耗維持”的特性，對于要在惡劣環境下長時間執行任務的軟機器而言，具有極高且務實的工程價值。而且，在經歷100 次反復熱驅動循環測試后，MIPM 仍能保持穩定變形能力。

而當危險過去，這個“裝甲球”又是如何重新恢復柔軟并繼續前行的呢？

朱勇教授團隊告訴 DeepTech，內骨骼的互鎖本質上是幾何接觸和支撐，并非不可逆的機械死鎖。“當 LCE 冷卻并產生彈性恢復力時，內骨骼之間的咬合接觸會隨著整體曲率的降低逐步解除。整個過程完全依賴材料自身的彈性回彈，不需要復雜的額外解鎖機構。”

此外，研究團隊還在 MIPM 中集成了藍牙模塊，實現了無線無纜操控。這一工程細節實際上顯著拓展了MIPM的應用場景：在危險環境（如災后廢墟搜索、化學泄漏現場）或人類難以抵達的空間中，無線操控能力使其可以獨立完成保護和運輸任務。

（來源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

一個新范式的雛形

研究團隊指出，MIPM 代表了變形與防護并行的一種新范式。

此前的仿生鎧甲研究解決的核心問題都是“靜態的柔性與防護權衡”，其剛度分布在制造完成后就已確定。MIPM 則創新地引入了時間維度：結構的剛度變為可在柔性狀態與防護狀態之間按需切換的動態變量。

作為一項概念驗證工作，目前這套基于液晶彈性體（LCE）的驅動方案，確實存在響應速度偏慢（秒級）、材料制備復雜等局限，距離實際防護所需的響應速度和極高疲勞壽命仍有距離。

面對這些問題，朱勇教授團隊展現出務實和開闊的工程思維：“我們并不認為這一設計必須被 LCE 綁定。”

他們認為，“LCE 在學術驗證階段是一個極佳的‘人工肌肉’載體，能清晰展示‘感知-驅動-互鎖-保護’的完整鏈條。但從產業量產和具體應用看，氣動驅動、形狀記憶合金（SMA）、電熱薄膜、甚至磁驅動等方案，都有可能替代 LCE。關鍵取決于具體場景對速度、輸出力、體積和功耗的要求。”

團隊指出，學術上的方案強調功能的集成和驗證；而工程上的方案則追求穩定、低成本和易于制造。MIPM 更核心的貢獻在于，它提供了一套可以遷移到不同材料體系和制造工藝中的“幾何設計準則”。

這套系統并不局限于某一種驅動方式或某一個尺寸范圍。從微觀到宏觀，許多系統都面臨類似的需求：既要柔軟、可變形、能適應環境，又要在關鍵時刻具備支撐與防護能力。小到血管內的柔性醫療器械，需要在復雜彎曲通道中前進、避免損傷血管壁；大到空間飛行器或深空探測設備，也可能需要可展開、可變形，同時在沖擊、振動或極端環境中保持結構可靠。

在團隊最看好的近期落地場景中，面向復雜或危險環境的小型搜救機器人和探索機器人排在首位。這類系統需要足夠柔軟，以穿過亂石和縫隙，同時又極易遭遇尖銳物或塌方撞擊，MIPM可以作為保護罩，包裹其傳感器、電池和通信模塊等脆弱載荷，在受到外部威脅時轉變為防護構型。

從三帶犰狳身上提取的外骨骼-內骨骼-肌肉協同邏輯，只是朱勇團隊仿生探索的一步。自然界是一個經歷了數億年篩選的龐大靈感寶庫。下一步，團隊還希望探索棘皮動物、軟體動物和一些昆蟲結構在局部剛度調控、可逆形態保持和表面摩擦調節方面的機制，圍繞不同應用建立一系列仿生軟機械設計準則。

MIPM 的出現再次啟示我們，在軟體機器人領域，與其在柔軟和堅固之間做痛苦的折中，不如構建一套精妙的機制，讓機器和材料在需要柔軟時柔軟，在需要堅硬時堅硬。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed2516

排版：胡莉花

注：封面/首圖由 AI 輔助生成