南方科技大學王宏強課題組Science子刊：可生長仿生人形機器人問世：受骨骼啟發，具備多環境移動能力

近年來，人形機器人因其類人的外觀與能力，在醫療、重勞力、遠程存在、太空探索及危險環境搜救等領域展現出巨大潛力。然而，現有機器人在諸多方面仍無法與人類媲美。人類的骨骼具有生長性、輕質高強、能吸收沖擊等多功能復雜結構，而當前人形機器人的骨架多為簡單柱體。雖然可生長機器人研究逐漸興起，但受動物啟發、能直接承載動態載荷并保持運動平衡的可生長步行雙足機器人，仍是極具挑戰的前沿方向。

南方科技大學王宏強教授課題組受發育中骨骼結構的啟發，成功研制出一種可生長的仿生連接結構。該結構僅重350克，伸展率高達315%，同時具備高負載能力、順應性與穩定性。將其集成到柔軟的人形機器人“GrowHR”中，機器人可實現動態形變，高度可壓縮至36%，寬度可壓縮至61%，從而穿越狹小空間。通過結合可生長連接驅動與伺服電機，機器人能切換至爬行模式，速度較僅使用電機或軟驅動器時提升1122倍。僅重4.5千克的GrowHR還能漂浮、游泳、在水上行走甚至飛行。其軟質機身確保了與人交互的安全性，可承受擁抱、摔倒和提起而不造成傷害。可變形腿部能在外載下存儲并釋放彈性能量，實現剛性結構無法完成的動作。這項工作為動態復雜環境中可生長、多功能的機器人設計開辟了新路徑。相關論文以“Bioinspired growable humanoid robot with bone-mimetic linkages for versatile mobility”為題，發表在

Science Advances

研究團隊首先展示了GrowHR的整體概覽。圖1將可生長連接結構與人體骨骼進行對比，解釋了其仿生設計理念。機器人通過充放氣實現身高在0.49米至1.36米之間變化，覆蓋了從幼兒到成人的高度范圍。圖中還呈現了其多種應用場景，包括從包裝箱中自主走出、穿過低矮洞口與狹窄縫隙，凸顯其出色的環境適應性與便攜性。

圖1. GrowHR概覽 （A）可生長連接結構與骨骼的結構對比。（B）機器人生長機制與骨骼生長機制的對比。（C）GrowHR在充氣與放氣狀態下的高度（以紅星表示），與一名成年女性（150厘米）、一名6歲男孩（115厘米）、不同機器人及人類生長曲線的比較。（D）GrowHR的應用場景。

為實現穩定運動，可生長連接結構的設計至關重要。圖2詳細揭示了該結構的核心構成：采用PVC材料制成的柔軟氣室用于變形，兩端配有剛性連接器，外部包裹不可拉伸的織物覆蓋層以顯著提高軸向剛度。為解決充放氣過程中連接器難以保持水平的問題，研究人員設計了同步電纜約束機構，通過四根等長電纜確保兩端始終平行。此外，線性導向桿的加入進一步增強了結構的穩定性與抗彎曲能力，使機器人在站立時也能安全地進行高度變換。

圖2. GrowHR的可生長連接結構 （A）可生長連接結構的構成。（B）不同氣壓下可生長連接結構的軸向剛度。（C）同步電纜約束機制的結構。（D）無線性導向桿時連接結構放氣過程的截圖（從左至右：電纜和橡皮筋均無張力；電纜無張力但有橡皮筋；電纜有張力但無橡皮筋；電纜和橡皮筋均無張力）。（E）可生長連接結構豎直站立時的受力平衡。（F）不同傾斜角和充氣高度下可生長連接結構的穩定性分析。（G）GrowHR在無（上圖）和有（下圖）線性導向桿時的充氣過程。

GrowHR的運動能力在多場景下得到驗證。圖3記錄了機器人在充氣全高與放氣低矮狀態下的步行，以及從箱中自主脫出并恢復全高的過程。更重要的是，通過可生長連接結構與伺服電機的協同工作，機器人實現了類似蚯蚓的爬行運動，速度遠超單一驅動方式。憑借輕質大腔體的設計，機器人密度僅為水的5.8%，不僅能漂浮、游泳，還能在水面行走。實驗還演示了其搭載涵道風扇進行空中運輸的能力，最遠飛行距離達5.5公里，展現了在偏遠地區執行搜救任務的潛力。

圖3. 行走、爬行、游泳與飛行 （A）GrowHR在充氣狀態（全高）下行走。（B）GrowHR在放氣狀態（最低高度）下行走。（C）GrowHR在放氣狀態下從小箱中走出，然后充氣至全高并行走。（D）GrowHR穿過狹窄縫隙（左：初始尺寸無法通過；右：放氣后成功擠過）。（E）GrowHR僅由電機驅動、僅由可生長連接結構驅動、或二者協同驅動時的爬行步態，以及爬行12.5分鐘后的機器人截圖。（F）不同爬行步態下GrowHR的位移。（G）一個游泳周期中GrowHR的截圖。（H）不同伸展角度和恢復時長下的游泳速度。實驗、仿真與模型數據的對比。（I）GrowHR在泳池中救援溺水者的演示。（J）GrowHR在水上行走。（K）GrowHR借助兩個涵道風扇飛向天空。

安全性與彈性帶來的多功能性是GrowHR的另一大亮點。圖4顯示了機器人與兒童安全互動的場景，包括擁抱、被提起、跌倒碰撞和拖行。得益于軟質材料與充氣結構，可生長連接件能有效吸收沖擊，保護內部電子元件與機械部件。在擺錘沖擊與跌落測試中，其最大加速度均顯著低于剛性對比結構。此外，腿部彈性變形可存儲能量，釋放時能產生足以踢動足球的瞬時爆發力，展示了超越剛性機器人的動態動作潛力。

圖4. 彈性賦予GrowHR的能力 （A）GrowHR安全擁抱一名6歲兒童。（B）輕質的GrowHR被兒童提起。（C）GrowHR跌倒并與兒童碰撞，對雙方均安全。（D）GrowHR被兒童拖行。（E）擺錘沖擊測試中，可生長連接結構在不同氣壓下的最大加速度、主頻率和能量比（測量點動能與擺錘初始動能之比），與其剛性對比結構的比較。（F）跌落測試的截圖。（G）GrowHR與其剛性對比結構在跌落測試中的加速度。（H）搭載可生長連接結構的腿部變形后釋放，踢動足球。

這項研究提出了一種受骨骼啟發的可生長連接結構設計，兼具輕量化、高剛度與沖擊吸收特性，并成功集成于能執行多種任務的人形機器人中。未來，通過增加自由度、采用更強動力執行器、結合先進控制策略與學習算法，此類機器人的自主性與動態性能有望進一步提升。這項設計理念預示著人形機器人有望廣泛應用于復雜、動態或危險環境中，安全高效地輔助人類完成重復性或高風險任務，最終提升社會安全、生產力和生活質量。