會長大的機器人來了！南科大顛覆人形機器人設(shè)計，柔性骨骼可縮放

在大多數(shù)人的認知里，人形機器人應當是像特斯拉 Optimus 或波士頓動力 Atlas 那樣，擁有閃爍著金屬光澤的軀干和力量感十足的關(guān)節(jié)。

然而，近日來自南方科技大學團隊在 Science Advances 發(fā)表的重磅成果打破了這一刻板印象：一個名為 GrowHR、僅重 4.5 公斤的人形機器人，以人類骨骼為靈感，靠氣囊與織物構(gòu)建“可生長骨骼”，實現(xiàn)了身高從 0.49 米至 1.36 米的自由伸縮。它既能擠過窄縫、水面行走，又能被無人機投送，展現(xiàn)出極強的空間適應性。

“GrowHR 的設(shè)計初衷包含了兩層深意，一是極致的‘擬人化’，二是突破生物極限的‘超人化’。”這項研究的通訊作者王宏強教授告訴 DeepTech。他多年來專注于靜電柔性驅(qū)動的基礎(chǔ)機理模型及其在多場景下的先進應用技術(shù)的研究，已建立了靜電柔性驅(qū)動的從材料、設(shè)計方法、分析理論到應用技術(shù)等一系列系統(tǒng)性理論和方法成果。王宏強目前任職南方科技大學研究員、南科大機器人研究院副院長。

“擬人”意味著未來的具身智能機器人應當像人類一樣探索邊界，擁有去潛水、游泳甚至跳傘的寬廣能力。而“超人”則是指其形態(tài)自適應能力在特種作業(yè)中的優(yōu)勢：它能通過大幅改變身高鉆進人類無法進入的窄縫或管道執(zhí)行維護任務；能實現(xiàn)“輕功水上漂”，載重 16.2 倍的特性使其成為理想的智能救生裝置。

骨骼里的仿生密碼

人形機器人因類人外觀和功能，在醫(yī)療、重型勞動、搜救等領(lǐng)域潛力巨大，但傳統(tǒng)設(shè)計存在三大核心缺陷。

首先是結(jié)構(gòu)的“死板”。傳統(tǒng)機器人的骨架多由剛性連桿組成，就像一套無法改變尺寸的盔甲。相比之下，人類骨骼通過骨骺板生長、密質(zhì)骨承重、松質(zhì)骨減震，實現(xiàn)了生長性與輕量化的完美集成。這種生物界的多功能集成方案，在目前的機械設(shè)計中幾乎是空白。

其次是適應性的缺失。盡管市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些可生長機器人，但它們大多停留在模仿植物藤蔓或細胞交互的層面，缺乏動物級別的動態(tài)承重能力。

最關(guān)鍵的痛點在于安全性。一個身高 1 米以上的人形機器人，自重往往超過 40 公斤。這使得它們在人機交互，比如一個簡單的擁抱中，可能變身為危險的存在。

“我們發(fā)現(xiàn)，自然界作為最好的老師，其生物結(jié)構(gòu)變化的過程為我們提供了重要啟發(fā)。具體而言，骨骼的生長機制尤其具有研究價值。其并非我們通常理解中的簡單剛性桿狀物，而是具有豐富的層級與組成，既具備一定的柔軟性，又擁有必要的硬度，這正好符合我們研制兼具柔性與類骨骼特性的軟體機器人的設(shè)想。”王宏強表示。

具體而言，仿生骨骼的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個維度：首先，骨骼首先具備足夠的剛性，能夠支撐人體直立，并承受在陸地行走時的動態(tài)載荷。這種密質(zhì)骨般的高模量特性，保障了機器人負重作業(yè)的穩(wěn)定性；其次，與易碎的工業(yè)剛性材料不同，骨骼內(nèi)部擁有類似蜂窩狀的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。

這種多孔層級設(shè)計賦予了它卓越的柔性，在受到外部重壓或劇烈沖擊時能夠有效吸收能量，起到保護內(nèi)部精密系統(tǒng)的緩沖作用；最后，骨骼擁有可生長的動態(tài)變化能力，它不僅能隨著年齡增長而延展長度，還展現(xiàn)出驚人的環(huán)境適應性，這種動態(tài)調(diào)整機制為機器人實現(xiàn)“形態(tài)自適應”提供了靈感。

基于此，團隊引入了一種受骨骼啟發(fā)的連桿結(jié)構(gòu)，其延展性高達 315%，重量僅為 350 克，同時保持了高負載能力、順應性和穩(wěn)定性。

通過將這些可生長連桿集成到軟體類人機器人中，實現(xiàn)了動態(tài)形狀自適應，其身高可增加高達 278%，從 0.49 米增長至 1.36 米，并能在不同高度下行走。

同時，GrowHR 能穿越低矮開口，例如 0.55 米，僅為機器人全高的 40.4%，或窄縫，例如 0.25 米，僅為機器人全寬的 69.5%。通過將可生長連桿的驅(qū)動與伺服電機相結(jié)合，該機器人還可以切換到爬行模式，其移動速度比單純使用電機或軟驅(qū)動器快 1,122 倍。

圖 | GrowHR（來源：上述論文）

從“空氣城堡”里借來的智慧

在研發(fā)初期，團隊陷入了一個近乎悖論的困局：人形機器人若要實現(xiàn)精準的行走控制，必須擁有足夠的剛性；但若要實現(xiàn)生長變形與本質(zhì)安全，則必須具備足夠的柔性。如何將這對矛盾的需求統(tǒng)一在同一個結(jié)構(gòu)中？是擺在王宏強及團隊面前的第一道難題。

靈感的火花往往閃現(xiàn)于生活的日常。“想到氣囊，是因為我平時帶小孩去玩空氣城堡。”王宏強回憶道。他觀察到，空氣城堡是一個奇妙的載體，它既能產(chǎn)生足夠的支撐力，讓人在上面彈跳（剛性支撐）；又能溫柔地包裹住跌倒的孩子，提供極佳的緩沖（柔性安全）。受空氣城堡的啟發(fā)，團隊決定采用氣囊作為仿生骨骼的核心結(jié)構(gòu)。

然而，將理想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的過程遠比預想中艱難。

“生長”不僅僅是長度的改變，更是力的維持。團隊最初面臨的挑戰(zhàn)，就是如何讓機器人在站立狀態(tài)下實現(xiàn)主動變形。

在實驗中他們發(fā)現(xiàn)，當氣囊收縮時，整體結(jié)構(gòu)的剛性會隨之下降。王宏強打了一個生動的比方：“就像一個人打崴腳了，如果腿部沒有肌肉發(fā)力，他就很容易摔倒。”為了防止傾倒，團隊通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保氣囊在低剛度狀態(tài)下，其上層機構(gòu)依然能保持平衡不發(fā)生傾斜，從而實現(xiàn)了機器人在站立狀態(tài)下的平穩(wěn)伸長與收縮。

當機器人開始邁步時，新的挑戰(zhàn)接踵而至。物體的剛度是分方向的，團隊此前更關(guān)注軸向（縱向）的壓縮剛度，但在行走時，隨著腿部的傾斜和抬起，橫向剛度的薄弱會導致骨骼在自重壓力下發(fā)生彎曲。這是目前市面上所有剛性骨架機器人從未遇到的問題，因為它們本質(zhì)上是“鋼鐵骨架”。

為了在柔性與穩(wěn)定之間達成微妙的平衡，王宏強團隊采取了兩手抓的策略：首先，結(jié)構(gòu)加強。在骨骼側(cè)面增加了細巧的滑桿裝置，在不破壞整體柔性設(shè)計的前提下，有效增強了側(cè)向剛度；其次，算法校正。通過精密的控制算法進行自動校正。即便柔性腿部在抬起過程中產(chǎn)生微小誤差，系統(tǒng)也能通過實時計算進行補償，確保每一步都精準落地。

針對“氣囊是否易破”的疑問，王宏強解釋道，GrowHR 并非“薄皮氣球”。氣囊外包裹了高強度的“增強織物”層。這層類似衣服的非伸縮性材料，不僅限制了氣囊膨脹以提升剛度，更起到了初步的物理保護作用。在未來的商業(yè)化預想中，它還將披上類似武警防刺服的特種材料鎧甲。

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根據(jù)論文介紹，GrowHR 的整機重量僅 4.5kg，同時兼顧出色的載重與緩沖性能。其奧秘就在于團隊對三種關(guān)鍵材料的差異化應用與精密組合。

高拉伸復合氣囊材料。作為機器人實現(xiàn)“生長”的核心，氣囊材料被賦予了極強的可拉伸性能。它不僅負責物理尺寸上的延展，還利用材料本身的彈性為機器人提供了天然的沖擊緩沖能力。

柔性非伸縮增強織物。為了在不增加重量的前提下提升剛度，團隊在氣囊外層包裹了一種特殊的柔性布料。這種材料具有“不可拉伸但可折疊”的特性，它像緊身衣一樣限制了氣囊的過度膨脹，從而將原本松散的氣囊轉(zhuǎn)化為具備高軸向剛度的支撐連桿。

高性能碳纖維復合材料。在機器人最核心的受力部位，如腿部關(guān)節(jié)連接處、電機固定件等，團隊選用了高強度的碳纖維材料。這種材料在保持極輕自重的同時，能提供極高的結(jié)構(gòu)剛度，確保了機器人在復雜運動過程中的機械精度，使其骨架在承重時不會發(fā)生無效變形。

最令人驚嘆的是，GrowHR 不僅能走、能爬、能游、能飛，更在于它在這些迥異的運動模式間切換的靈活性。“多模式機器人最核心的挑戰(zhàn)往往不在于單一模式的實現(xiàn)，而在于模式之間的無縫銜接。”王宏強表示。

圖 | GrowHR 行走、爬行、游泳和飛行（來源：上述論文）

他分享了一個有趣的細節(jié)：團隊曾嘗試讓傳統(tǒng)的剛性機器人模仿 GrowHR 從站立切換到爬行，卻發(fā)現(xiàn)這在物理上極難實現(xiàn)。這就像練習“下腰劈叉”，下去容易但彈起來極難，因為對手足電機的力量要求超出了現(xiàn)有極限。而 GrowHR 憑借“可生長”特性規(guī)避了這一困局：它先將柔性腿部收縮變短，大幅降低重心抬升難度，站起后再充氣“生長”恢復身高。

通過劈腿動作，GrowHR 僅需 17 秒即可從行走模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕佬心Ｊ健?/p>

在場景適配上，團隊借鑒了人類穿戴裝備的邏輯。比如在水面作業(yè)時，為其設(shè)計了“防水泳衣”保護電路。由于密度極低，它展現(xiàn)出驚人的浮力與負重平衡能力，甚至能托起自身重量 16.2 倍的物體進行水域救援；在空中運輸中，4.5 公斤的體量讓它能輕松掛載于四旋翼無人機下，實現(xiàn)快速遠程部署。

在 GrowHR 的測試數(shù)據(jù)中，有兩組指標極為亮眼：一是其爬行速度比單純使用電機或軟體驅(qū)動快了 1,122 倍；二是其水面載重能力達到了自身重量的 16.2 倍。“傳統(tǒng)的剛性機器人主要靠電機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)蛇形運動，而純軟體機器人則依賴氣囊伸縮實現(xiàn)蠕動。

GrowHR 在一個系統(tǒng)中同時集成了剛性關(guān)節(jié)與柔性骨骼。通過計算建模發(fā)現(xiàn)，當兩種驅(qū)動方式合理協(xié)作時，能夠產(chǎn)生極大的性能爆發(fā)力，從而打破了原有單一驅(qū)動模式的運動極限。”

目前，在驅(qū)動方案的選擇上，GrowHR 采用伺服電機與氣泵組合，這只是“先行版本”的折中。團隊真正的核心武器——“靜電人工肌肉（靜電電機）”將在后續(xù)迭代中接管驅(qū)動系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)電機，這種人工肌肉擁有更優(yōu)的功率密度比和更高的精度，能讓機器人的形態(tài)更趨近完美仿生，并勝任出力要求更高的特種任務。

邁向“可擁抱”的未來

在具身智能備受關(guān)注的今天，機器人如何與物理環(huán)境產(chǎn)生安全且高效的交互，是行業(yè)共同的命題。王宏強指出，GrowHR 的一大優(yōu)勢在于其無需復雜的上層算法，僅憑其物理結(jié)構(gòu)本身，就能實現(xiàn)對環(huán)境的主動適應。

它像現(xiàn)實版的“大白”，彈性骨骼能通過形變吸收碰撞能量，不會像重達八九十公斤的剛性機器人那樣在交互中產(chǎn)生破壞性。王宏強曾讓 6 歲的兒子參與碰撞測試，證實了輕量化與柔性身軀在人機交互中的絕對安全。

盡管在安全性與適應性上表現(xiàn)卓越，王宏強也客觀地指出了目前的瓶頸。由于第一版本受限于現(xiàn)有電機的輸出功率，GrowHR 在執(zhí)行重型負重任務時仍有提升空間。未來的迭代重點，將是在保持輕量化與安全性的前提下，進一步增強動力系統(tǒng)，使其能夠勝任更復雜的實戰(zhàn)化任務。

對于人們最關(guān)心的問題：它距離我們的日常生活還有多遠？王宏強坦言，GrowHR 實際上已經(jīng)非常接近商業(yè)化的門檻，但從樣機到商品仍需翻越工程化穩(wěn)定性和軟件算法深度融合兩座大山。

實驗室樣機需要向更穩(wěn)定、耐用的工業(yè)級產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，這涉及極其復雜的工程系統(tǒng)集成；此外，硬件系統(tǒng)只是“軀干”，未來的商業(yè)版本需要接入更強大的算法，實現(xiàn)更具情感溫度的人機交互。

目前，團隊已在開展家居環(huán)境測試，并與特教領(lǐng)域合作探索輔助自閉癥兒童干預的可能性。

“我們希望通過這項工作，為行業(yè)探索一種跳出固有思維的范例，”王宏強說道，希望在不久的將來，當剛性與柔性真正實現(xiàn)深度融合，人形機器人或許將迎來從機械裝置向仿生生命跨越的又一個關(guān)鍵里程碑。

1.Hao Liu et al. ,Bioinspired growable humanoid robot with bone-mimetic linkages for versatile mobility.Sci. Adv.12,eaea2831(2026).DOI:10.1126/sciadv.aea2831

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