機器人也可以是一灘“黏糊糊的液體”？科幻作品里的“新物種”其實離我們并不遙遠 | 科學講壇——李振坤

機器人一定是鋼鐵之軀嗎？

它既可以流動，也可以變形，

就像單細胞生物一樣。

李振坤· 北京交通大學機電學院副教授

格致校園第57期 | 2025年7月25日 北京

各位小朋友們、大朋友們好。我今天演講的題目是《從變形金剛到流變機器人》。

首先問大家一個問題：你們印象里的機器人是什么樣子的？是不是很多人和我一樣，一提到機器人，就會想起變形金剛里擎天柱的形象？

機器人一定是“鋼鐵之軀”嗎

那么我再問大家一個問題：機器人一定是鋼鐵之軀嗎？我們看到的這個四足機器人，也是由鋼鐵制成的。

這個瓶子里邊的液體 ， 也是一種機器人 。 大家能想象它是怎么動的嗎 ？ 實際上 ， 這個機器人 就是我們實驗室發明的一類 新型 機器人 ，我 們給它命名為流變機器人 。 顧名思義 ，它既可以流動，也可以變形，而且是在流動中進行變形，就像單細胞生物一樣。

我和大家一樣，從小就是機器人迷。在中學的時候，我已經掌握了一些機器人的基本設計技能，還有一些編程技術。

我上學的那一年，發生了一件舉國悲痛的事件，就是汶川大地震。當時在電視畫面上，看到很多救援人員在廢墟面前，大家非常焦急。但是，我們只能把一塊一塊的預制板搬開，去尋找傷員。因為一旦我們用了工程機械，造成二次坍塌，就會對里面的被困人員造成嚴重的生命危險。

當時我就想到，能不能做一種像蟲子一樣的機器人，先于救援人員鉆進廢墟里面，找到被困人員，給他們送去必要的水和藥物。于是，我用自己有限的知識，設計出了這樣的一個機器人原型。

這個機器人是像蟲子一樣多節的結構，采用了蠕動的形式——最前面一節收縮，然后傳遞給下一節。那么，節跟節之間的連接就很重要，它需要有一定的柔性。

這個啟發來源于一種按動式的圓珠筆，里面有一個核心元件，當你把圓珠筆拆開，是一根彈簧。當時我就覺得彈簧很神奇，它非常有柔性。

我用四根彈簧把節跟節連接在一起，當我牽動不同的彈簧組合的時候，比如說牽動右邊的兩根彈簧，機器人就會轉向。當時就用這樣簡單的一個結構，初步實現了這個運動。

但是這個機器人，因為大部分用的都是剛性材料，雖然彈簧有一定的柔性，但其經過壓縮之后突然地釋放，也是很僵硬的，靈活性嚴重不足，所以沒有真正應用于這種場合。

我也一直在思考，怎么樣能夠改進它？直到我在美國航空航天局（NASA）的網站上看到一個用于火星登陸的液體驅動機器人。這個機器人目前還沒有實現，它的目標是替代現在我們用的火星車、月球車。

我們知道現在的火星車、月球車都是用鋼鐵材料制作的，它的重量是相對較重的，這意味著發射成本非常高。而且它用輪式、腿式結構有一個風險——關節很容易被卡住，尤其是在外太空環境非常惡劣的情況下。

如果我們做成一個像小蟲子一樣的機器人，讓它在外太空進行自由探索，有什么優勢？它是不是非常柔軟、具有適應性？

其實機器人不僅有自由移動的形式——我們叫做特種機器人，還有工業機器人。工業機器人一般又叫機械臂，末端有一些手爪。這是我上大學期間開發的一個應用于煤炭生產，選煤生產線上的機器人。

它主要分為兩個模塊：一個是大爪子抓取煤塊，另一個是手掌剝取煤塊。它們的手部都是用剛性材料制作的。在使用的時候，我們會發現，因為煤塊形狀不規則，也是剛性的，手爪也是剛性的，有一定的概率抓取失敗，煤塊會脫落、打滑。

當時我想怎么提高 它的 適應性 。 直到我讀了博士之后 ， 開啟了 4D打印 的科研方向。 我們用 4D打印制作 了 一款 “ 靈巧手 ” —— 這是 2024年我們在中關村論壇上展示的 “ 靈巧手 ” ， 旁邊是一個打印機 。

這個打印機制作出的十字形橡膠結構，看起來就是一個普通的橡膠片，但只要施加了磁場，它就可以柔性地去夾持、搬運雞蛋。

經過前面兩個例子，大家是不是已經有了答案：機器人一定是鋼鐵之軀嗎？其實這也是科學家正在關注的問題。《Science Robotics》是機器人領域最著名的專業期刊，它提出了機器人的十大問題，其中前兩大問題都是關于機器人的軟體化。

更靈活的流變機器人

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第一個問題是機器人的新材料和制造的新范式；第二個問題是生物混合和仿生機器人。這意味著機器人要向多樣化轉化，從以前單一鋼鐵制造的這類機器，轉化為柔性的、軟體的、仿生的對象。

軟體機器人最大的優勢是什么呢？就是它具有高度的靈活性和很強的環境適應性。我們看到左邊的這幅圖是一個海星機器人，由哈佛大學最先制造出來。當一輛汽車從它身上軋過的時候，毫發無損。

我們想象一下，如果是一個剛性的機器人，在同樣的路面上被汽車軋過，可能已經失去了工作能力，甚至四分五裂了。大家知道右圖上的機器人是在哪里應用的嗎？準確地說，是在我們中國南海的最深處1萬米的海溝。

我們知道，在1萬米以下的海底，最難的環境問題就是壓力非常大。為什么魚類能夠在海底那么大的壓力下生存，而我們人類不能？是因為這些魚類，已經進化出適應海底環境的身體形態。

因此，來自浙江大學的科學家及團隊，就模擬了海底的一種魚類，叫做獅子魚。利用這種魚的特性，設計出了一款全新的軟體機器人，去替代那些笨重的深海器。這樣一來，只需要一個重量不到1000克的小巧機器人，就可以代替我們人類實現海底探測。

說到軟體機器人，我們要制作它，就要有相應的材料。它最典型的、最理想的一類材料，就是我們現在材料科學的前沿——智能材料。

大家知道什么是智能材料嗎？實際上智能材料離我們并不遠，它來源于仿生概念。我們的生物材料，哪怕是一個單細胞生物，自己的細胞質也具有智能性，能夠對外界刺激進行響應。

智能材料就是模仿這樣的能力。比如說上面這個圖，是一個形狀記憶的聚合物，它能夠通過溫控發生形狀的自主變化。那這樣的材料，我們可以應用于什么場景呢？你在坐飛機的時候，可以觀察一下機翼是不斷變化形狀的，還是固定不動的？

我們的現代飛行器絕大部分都是固定翼飛行器。但如果我們觀察鳥類，尤其是像老鷹這樣的善于應用氣流的鳥類，我們能看到它的翅膀，在翱翔的時候是不是一直在變換角度？正是由于這樣的生物特性，讓它能夠達到適應氣流、利用氣流滑翔。

甚至有一種鳥叫做信天翁，在海上隨著氣流滑翔幾公里才振顫一次翅膀，極大降低自身的做功和能耗。如果我們的飛機設計成這樣，一方面可以節能，另一方面可以保證安全，遇到極端氣流環境可以進行適應。未來這樣的飛機機翼，就可以用形狀記憶聚合物這樣的智能材料制作。

4D打印是軟體機器人的未來制造方法，大家聽說過3D打印嗎？3D打印又被稱為增材制造，利用計算機的數字化設計，把要構造的物體設計出來，然后進行切片，一層一層地堆疊制造。

4D打印顧名思義：它多了一個D，就意味著多了一個維度。多的是什么維度呢？有人說是時間，其實也沒有問題，所有的變形都是在瞬間發生的。但是更準確地說，多的就是智能材料對外界刺激進行響應的維度。

我們看到左邊的埃菲爾鐵塔 ， 它可以在外界的刺激下 ， 發生從彎曲到直立這樣的變化 。

也有科學家把 4D打印 ， 形象地形容為我們制造方式的變革 ， 就像從猿到人的進化一樣 。從 最開始一維的結繩記憶 ， 到現在 4D打印 ， 實際上產生了翻天覆地的變化 。

4D打印將來可以讓每一個人設計出有自己創意的物品，你可以很方便地把物品的結構和功能做在一起，用一臺機器制造出來。這就是4D打印將帶給人們生活方式的改變。

問大家一個問題：剛才我們提到了三項前沿技術——智能材料、4D打印、軟體機器人，如果將這三項技術有機整合在一起，會產生什么樣的科學新物種？大家有想過嗎？對于這個問題，我苦苦思索，最后給出了一個答案，就是“流變機器人”。

流變機器人受到了一個“生物老師”的啟發，這個生物就是單細胞生物。我不知道大家有沒有在顯微鏡下觀察過單細胞生物，微觀的世界非常神奇。很多的單細胞生物都可以自主變形、分裂等等，它們都來源于一類的機理，就是生物的溶膠到凝膠的變化。

▲左： 單細胞生物變形運動基于生物溶膠 - 凝膠轉換

右：基于磁控智能材料與 4D 打印的仿阿米巴蟲流變機器人（ Amoebot ）

簡單地說，單細胞生物身體的某一部分可以控制凝固住不再流動，另一部分反而流動起來，這樣它就能夠控制自己身體靈活變形，有點像孫悟空的72變。

如果我們用現在的先進材料加上先進制造方法，做出仿單細胞生物機理的機器人，這個機器人可以實現目前為止已知的最靈活的運動形式。它既可以自主運動，還可以像單細胞生物吞噬一樣去搬運物體——吞噬一個物體，在某一個地方再釋放掉。這對于將來把流變機器人應用于體內治療很有作用。

大家 有沒有看過影視作品 《毒液》 里邊的形象 ？ 我當時看完之后印象非常深刻 ， 毒液是一種外星的智能材料 ， 電影里邊也把它引申為本身就是有生命的 ， 是一種智能的生命體 。

拋開生命不談，就說它的特性，我們能不能把它復現出來？這個技術距離我們實際并不遙遠。這是實驗室里拍攝的真實錄像：這樣的一團物質可以變換自己的形態，穿過狹小的縫隙，然后又恢復形態，再進行自主的導航、運動。

從形似到神似

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實際上，我們離液體機器人可能并不遠了。我們經歷了機器人變革的形式：2016年哈佛大學團隊做出了世界上第一個純軟體的機器人，是一個章魚機器人，具有無與倫比的柔軟性。但是這個機器人也受限于它的設計，它設計了八條腿，可以自由地變形，但是不能做出超越身體范式的一些變化形態。

我們最理想的柔軟形態是什么？就是液體的流動。但是科幻作品里的液體機器人，現在還很難做出來，因為缺少仿生對象，沒有“生物老師”，我們無從下手。液體機器人還有一些操控上的問題：如何控制這么大量的液體？

所以，我們先從基礎做起，給它構造了一個中間的橋梁，也就是我們提出的流變機器人。我們認為2025年，已經實現了這樣的流變機器人原型。它的仿生對象是單細胞的可變形生物，具有極強的變形能力，靈活度很高。

這個概念是2023年我們在一篇科研論文里提出來的。提出之后，我們就要制作出一個原型讓大家認可。但當時遇到的第一個問題，就是沒有相應的材料。這個材料要實現和單細胞生物一樣的生理功能。

大家知道，細胞里面的成分是怎么實現溶膠-凝膠轉換的嗎？實際上它來源于一個阻塞機制。怎么理解阻塞機制呢？就是生物里面有很多的大分子、蛋白質，如果把這些大分子都阻塞到一起，就像堵車了一樣，這時周圍的細胞質就不能流動；如果進一步疏通開，它又變成溶膠形態。

▲原生質中的“阻塞”相變機制

就是這樣的機制，我們想用無機材料去復現它，要做成一個很復雜的材料體系。當時在我的腦海中構想了很多造型，到底要把它微觀設計成什么樣的體系？最后我鎖定了一種，就像下圖顯示的形式：中間黑色的柱子，實際上是磁性顆粒在磁場方向下形成的柱體。

光有這個柱子還不夠，因為我們要讓它穩定下來——當磁場撤去的時候，它會傾倒，不再穩定。我們要在柱子表面加上一層二維材料，并且在不同的柱子之間像打腳手架一樣支起來。

這個材料就是我們用到的一類新型二維納米材料。所謂二維，就是在兩個維度上顯著高于納米尺度，另一個維度正好是納米尺度，非常薄的一層板，把柱子包起來，形成這樣的結構。

這個結構怎么形成呢？實際上材料在打印、制造的過程中，用磁場讓它自己在微觀下“蓋房子”形成的，又叫做自組裝結構。

我們可以從視頻里清晰地看出它的特性：在沒有磁場下，它很容易流動；加入磁場后，它會凝固；撤去磁場之后，這個性能得到了保留。所以，我們說它有了“流變記憶”的能力。

有了這 種 材料 ， 我們要進一步制造出流變機器人 ，就 還要有制造方式 。 當時我們做了這樣的一 臺 4D打印機 ， 可以同時打印兩種材料 ： 一個是機器人內部的組成 ， 就像細胞質一樣 ， 是我們的流變材料 ； 另一個打印的是它的外殼 ， 相當于細胞膜的部分 ， 我們用到的是水凝膠材料 。

這就是流變機器人的制造過程。它里面最核心的一個技術點是什么？就是中間的流變記憶材料在打印時要能夠自支撐——我們要把它打印成單細胞生物的形狀，同時還要能夠支撐外面這層膜，讓膜也形成這樣的形狀。

在打印完之后，我們把磁場撤去，它還需要再恢復到可以流動的狀態。這個技術我們把它叫做“相變可逆4D打印”，也就是傳統的3D打印出來之后，它的形狀就固定了。但是相變可逆4D打印出來之后，可以讓這個形狀、結構再消失掉。

我們做出這樣的流變機器人原型 ， 怎么樣讓它像單細胞生物一樣做最簡單的動作 ？ 其實單細胞生物也有簡單的步態 。 這個步態叫做“偽足”運動， 就是細胞質朝著一個方向流動 ， 像伸出了一只腳一樣 。

別看這是一小步，但在科研里邊，這是前進了一大步。當時我們為了做這一步，搭建了相關的實驗設備，用很多磁場線圈做陣列，為的是調控機器人體內不同部分從溶膠到凝膠轉化。

我們看到右邊這幅圖上 ， 紅色部分是凝膠凝住的部分 ， 黑色部分是熔膠可流動部分 。 正是 通過這樣的 調控 ， 我們讓機器人朝一個方向定向伸出了一個偽足 。

這只是第一步，將來如果我們想讓它像變形蟲一樣流動起來——下面這張圖是變形蟲真實運動的圖像，我們看到它是非常靈活。但有一個問題，就是為什么它能一直運動，而且身體不會因為運動分裂成兩個？

如果分裂成兩個，就失去了它運動的目的。這是因為它里面有很強的生物智能性、生物調控性。我們如何去復現？這就需要加入一些智能的算法。

我們開發了仿阿米巴蟲的智能算法 ， 實現了細胞層次上的仿生機制 —— 從材料到單細胞的仿生 。 甚至未來 ， 單細胞生物可以進化成多細胞 ， 我們的機器人也可以從單個作戰變成集體作戰 ，也就是 集群式的機器人 。

實際上我們看到 ， 我們完成了一個從仿生到內生的轉變 。 科學上目前也正在形成這樣 的 學科趨勢 。 有了一本期刊 ， 叫做《類生命系統》 。可以說，以前的仿生，更多的是形似，也就是長得像；而未來的仿生，是神似，從各個層面上都可以復現出生物的機制。

流變機器人的未來應用

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那么，流變機器人未來有哪些應用呢？當時，北京電視臺節目組有一個進校園的活動，到了我的實驗室，他們也問了這個問題。我給他們展示了一下，其中一個應用是胃出血的治療。胃出血是一種急性疾病，甚至可能危害生命，因為出血點在內部，我們是看不到的。

現在傳統的治療是要吞服一些藥物，然后緩慢地去釋放和止血。如果我們把流變機器人吞到體內，借助一些醫療影像手段，讓它找到出血點，準確地把出血點堵住，起到立竿見影的效果，甚至能夠挽救人類的生命。

另一個應用場景，如果我們把流變機器人微小化，讓它進入血管，那么它還可以做一件事：有點像白細胞做的事情，去找到血液中的癌細胞。我們知道，癌癥病人在還沒有形成腫瘤、癌癥病灶的身體里，會有一些癌細胞，實際上對健康是有很大危害的。如果我們能及時地找到它，并且消滅它，就可以挽救生命。

▲左：胃出血治療右： 循環腫瘤細胞捕獲

這個是怎么實現的呢？首先，流變機器人身上有一些敏感蛋白，我們先將這些敏感蛋白和腫瘤細胞連接在一起，之后利用流變機器人的變形效應，把癌細胞內吞到它的體內，再運用遠程的磁場進行加熱。在非常高交變的磁場下，磁性的材料有自發熱的現象，當加熱到50多攝氏度，癌癥的腫瘤細胞就會被殺滅。

大家知道，我們現在正在面臨著很大的變革。我們正在經歷著，可以說是第四次工業革命。這場革命的主題是什么？是人工智能，它將改變我們生活的方方面面。

如何能夠把握這個機會呢？我的建議是，希望每一個人可以成為前沿科技的生產者和傳播者。你可以去關注前沿科技，將來成為前沿科技的研究者，同時把它傳播給更多的人，讓更多的人加入進來，共同帶動前沿技術的發展以及落地。

我是這樣做的，也是這樣去帶動我身邊人的。我帶領團隊發明了全球第一臺桌面級4D打印機，并且獲得了中國發明協會的發明創業獎一等獎。我們還把這個發明的經歷改編成了一個舞臺劇，在2024年的科技部全國實驗展演大賽上進行演出，獲得了比賽的一等獎。

我們也創立了一個實驗室。這個實驗室就以流變機器人的英文名字Rheobot命名，愿景是讓每一個人成為這個硬科技時代的創造者。

謝謝大家！

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