頂刊《Science Robotics》：超材料機器人！

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(tǒng)機器人里，“材料”往往只是結(jié)構(gòu)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(fā)表于 Science Robotics 的綜述文章所系統(tǒng)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(tài)？

• AI如何加速其設(shè)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(jié)構(gòu)幾何設(shè)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(wěn)定態(tài)間跳變的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)、像折紙/剪紙一樣隨時折疊展開的結(jié)構(gòu)、對光、熱、磁場等自動響應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)。

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(qū)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(zhí)行器，無需復雜電子系統(tǒng)即可完成任務(wù)

機器人不僅是機械系統(tǒng)，更是一種“由材料直接構(gòu)成的智能體”。

02.三大設(shè)計原則，讓材料直接成為智能系統(tǒng)

文章總結(jié)了超材料驅(qū)動機器人的三大核心機制：

①結(jié)構(gòu)力學驅(qū)動（Mechanics-inspired Design）：利用點陣、負泊松比、失穩(wěn)結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)可編程剛度、快速能量釋放、復雜運動模式等。

②形狀重構(gòu)（Shape-reconfigurable Structures）：Origami/Kirigami/接觸耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)：折疊→展開2D → 3D多形態(tài)模式切換，常用于軟體機器人、多模態(tài)運動器、可變形飛行器等。

③材料驅(qū)動功能（Material-driven Functionality）：響應(yīng)型材料（光、熱、電、磁…）+ 超材料架構(gòu) =可感知+可執(zhí)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(tǒng)。

03. AI讓材料“會設(shè)計、會學習、會思考”

傳統(tǒng)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)驅(qū)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(shè)計與優(yōu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)等直接由結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

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(jié)構(gòu)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(zhí)行的任務(wù)。

總結(jié)

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(qū)動的機器”進化到“由材料實現(xiàn)智能”的生命體。從可變形無人機到自適應(yīng)軟體機器人，從機械邏輯到機器人群集系統(tǒng)，超材料正成為下一代智能機器的基礎(chǔ)。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”。

圖1 超材料機器人的發(fā)展時間線

圖2 人形超材料機器人的概念圖

圖3 超材料驅(qū)動機器人的三大核心設(shè)計機制

圖4 基于結(jié)構(gòu)力學驅(qū)動的超材料機器人

圖5 基于可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的超材料機器人

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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