繞過大腦思考，超材料機賦予機器人身體本能！| Science Robotics

當波士頓動力Atlas人形機器人用一個后空翻驚艷世界時，它展示的是“中央大腦”計算的極致。

然而，一場靜默的革命，正試圖繞過大腦，為機器賦予反射弧。其核心是讓機器人的身體自己能看、能感、能反應，實現中央指揮與身體本能相結合的類人智能。

如今，一種名為“機械超材料” 的黑科技，正試圖將這種智慧賦予機器人。它的目標堪稱顛覆：讓機器人的智能，從復雜的芯片代碼，下沉到每一寸物理軀體之中。目前，模塊化手性折紙超材料已在機器人變形器、溫度調節、機械存儲器、能量吸收和信息加密中得到驗證。

近日，權威科學期刊《Science Robotics》上一份由全球多位科學家聯合撰寫的綜述指出，通過精心設計材料的微觀結構，機器人將能實現感知、驅動、控制乃至計算的本體化。

未來，我們或許會看到能像液體一樣變形穿過縫隙、又能瞬間凝聚成堅固結構的救援機器人；或是由無數微小單元自主組裝、重構，甚至自我修復的航天器。

這并非遙遠的科幻。一場關于機器人身體的革命，已經拉開了序幕。

人形超材料機器人的概念

一、機器人的身體困境：強壯的四肢，遲鈍的神經

要理解這場革命為何必要，首先看看目前機器人的痛點。

無論是工廠里的機械臂，還是公園里秀舞技的人形機器人，它們大都遵循著經典的“大腦+身體”模式：一個中央處理器（CPU）作為大腦，負責所有的思考、規劃和決策；電機、齒輪和傳感器作為身體部件，通過錯綜復雜的線纜接收指令并反饋信息。

這套系統成熟，但瓶頸明顯！若將其類比為人，可以說是一個協調性不是很好的個體，具體表現在以下三個方面：

• 身體笨重僵硬：大多數機器人系統依賴于傳動式執行器，例如電機和齒輪箱，而這使得機器人重量大、動作生硬，在需要柔順、安全交互（如醫療、老人護理）的場景中受限。
• 神經遲鈍單一：為了感知內部狀態和外部環境，機器人需要在全身布滿傳感器，這導致系統異常復雜、功耗高，且難以實現真正的全身觸覺。這一問題在需要捕捉復雜形變的軟體機器人上尤為突出。
• 大腦不堪重負：機器人的每一個動作都需要大腦精確計算和指揮，一旦進入未知的極端環境，反應速度和控制難度呈指數級上升。

這就好比一個武功高手，雖然內力深厚（強大的電機），但全身的神經傳導卻非常緩慢且單一，無法做出諸如“凌波微步”這類依靠皮膚敏銳感知并瞬間反應的靈巧動作。

二、超材料：重塑機器人的“筋骨血肉”

如何破解這一困境？答案就是超材料。

超材料并非某種特定的神奇物質，可以被理解為一種能夠結構編程的智能物質。它的非凡能力并非來自材質本身，而是來自其精密的微觀結構設計，就像為物理世界編寫代碼，讓機器人的身體能直接讀懂并執行復雜的機械指令。

論文中，科學家們將超材料的設計原則歸納為三大“法寶”，它們正在從不同維度為機器人注入原生智能。

機器人超材料設計原理

• 法寶一：力學啟發架構，打造機器人的智能骨骼

超材料為機器人賦予了三種核心身體能力：通過仿生晶格實現極致的輕量與堅固；通過拉脹結構獲得違反直覺的形變模式以更好地適應環境；通過突跳不穩定性來儲存并瞬間釋放能量，實現高速、高力的動作。

基于力學啟發式結構的超材料機器人

具體而言，晶格架構能以極輕的重量實現超乎想象的堅固度，同時還能在需要時展現出可調的柔韌性，讓機器人兼具強大的承載能力與靈活的運動能力；

拉脹超材料以其獨特的負泊松比特性，使材料在受壓時橫向膨脹、受拉時收縮，這種反直覺的形變模式，能極大簡化驅動設計；

突跳結構則借鑒于按動圓珠筆的“咔噠”機制，能在特定形變下發生穩定狀態的瞬間切換，將儲存的彈性勢能急劇釋放。

• 法寶二：重構結構，打造機器人的“變形金剛”軀殼

借鑒古老的折紙、剪紙和接觸耦合技術藝術，超材料可以實現極其復雜的二維到三維形狀變換，這讓機器人能重構身體形態，像變形金剛一樣動態調整自身來應對多變環境。

折紙原理是指在平面材料上預設折痕，將彈性勢能集中在特定路徑上。當受到刺激時，材料會沿著這些預設的通道自動折疊展開。這項技術讓機器人“卷”起來，讓一張平面薄片，能自動折疊成能滑翔的飛機、能滾動的輪子，或是一條章魚觸手般的靈巧機械臂。

剪紙技術是指在彈性材料上精妙切割，創造出一系列應變集中點，當材料被拉伸時，應力會在切口處重新分布，引發可控的三維屈曲。將剪紙與拉脹設計相結合，軟體機器人便獲得了感知與行動一體化的能力，他就像獲得了一身智能皮膚，爬行時彈出紋理增加摩擦，抓取時如植物卷須般溫柔纏繞，甚至能抓起自身重量16000倍的物體。

如果說折紙與剪紙是讓連續體材料產生智能形變，那么“接觸耦合”則代表了一條更具革命性的路徑，它通過滾動接觸和互鎖接觸兩種技術路徑，讓機器人像樂高或鎖子甲一樣，由無數離散模塊組成，并能動態重組、變換形態，應對各種復雜的環境和任務。

基于形狀可重構結構的超材料機器人

這三種機制的精妙之處在于，它們將"變形"這個原本需要復雜控制系統和大量執行器才能完成的任務，變成了材料與生俱來的本能。

• 法寶三：材料驅動功能，打造機器人的敏感神經與人工肌肉

這是最具顛覆性的一步，讓機器人的身體本身就能感知世界并做出反應。傳統機器人的“大腦”與“身體”是分離的，而新材料技術正在打破這一界限。

智能材料讓機器人的軀體變身敏感神經與人工肌肉的復合體。將響應型和被動型材料結合到超材料架構中，可以為機器人調出一具能自主適應環境的智能身體。

這一理念已在多種智能材料中得到生動體現。熱響應超材料如恒溫金屬條，能在極端溫度下自動變形，實現自主保護；光響應超材料通過剪紙工藝制成微型機器人，能在激光引導下自主運動；電敏感材料實現電信號與機械形變的雙向轉換，既能在電壓下改變形狀，又能在受力時產生信號；磁控材料通過嵌入磁性顆粒，實現快速重構和多模態運動。

基于響應型超材料的超材料機器人

單一材料功能有限，將多種智能材料組合，就能創造真正的全能戰士。

不同材料響應不同刺激，讓機器人能同時感知溫度、光線、磁場等多元信息。剛性材料提供支撐，柔性材料實現變形，相變材料實現剛柔切換。如變形無人機通過多材料結構，實現地面行進與空中飛行的自主轉換。

基于多材料超材料的超材料機器人

通過將智能融入材料，我們正在創造的不是冰冷的機器，而是擁有生命感的智能體，它們的每一寸肌膚都充滿感知，每一次動作都源于本能。

三、AI+超材料：機器人設計的共創伙伴

盡管前景廣闊，但研究指出，目前超材料機器人的設計和建模仍然面臨諸多挑戰：沿用傳統的物理定律去仿真，雖精準卻計算緩慢、成本高昂；完全依賴AI大數據學習，又容易脫離現實，甚至產生違背物理規律的設計。

破局的關鍵，在于將人工智能的創造性與高保真物理仿真的嚴謹性深度融合，也就是把AI作為超材料機器人最得力的共創伙伴。

AI正從三個方面加速超材料機器人的誕生：

逆向設計：只需告訴AI你想要的機器人功能，生成式AI就能基于物理原理，自動設計出最優的超材料結構。

高效建模：超材料的行為高度非線性，傳統仿真耗時耗力。基于物理信息的機器學習模型，能以極高的效率預測超材料在復雜環境下的動態響應。

智能控制：強化學習等AI算法，能讓超材料機器人在實踐中自主學習最優的運動策略，比如如何協調全身的“人工肌肉”以最節能的方式行走。

AI與超材料的結合，相當于為機器人設計師開啟了“超級外腦”，能夠駕馭微觀結構與宏觀功能之間極其復雜的關系，設計出前所未有的機器人形態。

四、未來愿景：身體本能覺醒，群體智能涌現

論文為我們描繪了超材料機器人的終極愿景：具身智能與可重構物質的深度融合。

在個體層面，未來的機器人將更像生物體。它可能擁有一個中央處理單元，像我們的大腦，但更多的感知、反應和簡單決策功能將由分布全身的超材料本體來完成。它的骨骼是輕質高強的晶格結構，肌肉是響應迅速的人工肌肉，皮膚是布滿傳感神經的電子織物。

這種機器人將在動態、非結構化的環境中游刃有余。

在群體層面，超材料將催生真正的“變形金剛”集群。成千上萬個微小的超材料機器人單元，每個都具備簡單的感知、驅動和通信能力，它們能通過磁力、機械互鎖等方式自主結合。根據需要，它們可以像液體一樣流動穿過狹窄區域，然后迅速聚合成一個堅固的剛性結構，之后再解散，重組成一個功能不同的機器。

超材料機器人技術，正在模糊材料與機器、身體與大腦之間的界限。它告訴我們，智能不一定非要被計算出來，也可以被結構出來，被材料表達出來。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx1519