“紙”折出來的機(jī)器人！國防科大1.2克“越野小強(qiáng)”登一區(qū)Top頂刊

它只有1.2克重，比一枚一元硬幣還輕，卻能在草地狂奔、沙地穿行、石堆攀爬，甚至背著1.4克重物鉆過L形彎道，還能下水游泳。

這不是科幻道具，而是國防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)剛剛登上《Nature》子刊《Microsystems & Nanoengineering》的全新作品——PLioBot，一款并聯(lián)腿昆蟲級(jí)折紙機(jī)器人。

PLioBot最狠的地方，不是它跑得快。雖然它確實(shí)快得離譜，每秒能飆44.6厘米，相當(dāng)于每秒狂奔17.8倍身長。按這個(gè)比例，博爾特得跑出每小時(shí)300公里才能跟上。

真正讓人眼前一亮的，是它居然是用一張“紙”折出來的。

01.

不是組裝，是“長”出來的機(jī)器人

做微型機(jī)器人，最難的不是設(shè)計(jì)，而是制造。要在厘米級(jí)的尺寸里塞進(jìn)去驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、腿、關(guān)節(jié)，還得保證它們能協(xié)同工作，傳統(tǒng)做法是分別造好各個(gè)零件，然后在顯微鏡下手工組裝。工序復(fù)雜、對準(zhǔn)困難，精度全靠手感。

哈佛的HAMR系列、科羅拉多大學(xué)的CLARI，都是這么造出來的。但問題是，這種方式很難規(guī)模化，也難保證一致性。

國防科大團(tuán)隊(duì)這次換了個(gè)思路，把所有東西都集成在一起，一次成型，然后折起來。他們用五層復(fù)合材料，把機(jī)器人的所有部件都?jí)涸谝黄穑?/p>

壓電陶瓷：驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于肌肉；

碳纖維預(yù)浸料：結(jié)構(gòu)，縱向橫向交叉鋪層，相當(dāng)于骨骼；

聚酰亞胺薄膜：柔性鉸鏈，厚度0.025毫米，相當(dāng)于關(guān)節(jié)。

飛秒激光切出精密槽口，包括驅(qū)動(dòng)器位置、結(jié)構(gòu)輪廓，連78個(gè)柔性鉸鏈的位置，然后層壓、加熱固化，最后從材料上“撕”下一張完整的二維折紙機(jī)構(gòu)。沿著折痕翻折、固定，一個(gè)三維機(jī)器人就這樣成型。

整個(gè)過程零組裝、零對準(zhǔn)。論文里專門算了自由度。從初始的81個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿、71個(gè)自由度，一路折到最后只剩32個(gè)連桿、8個(gè)自由度，剛好夠用，不多不少。

這是首次在昆蟲級(jí)壓電機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)-結(jié)構(gòu)一體化集成制造。

02.

最快跑44.6 cm/s，怎么做到的？

PLioBot的四條腿是并聯(lián)腿結(jié)構(gòu)，每條腿兩個(gè)自由度，由兩個(gè)獨(dú)立的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)相位差，足端可以畫出橢圓軌跡。四條腿配合，走出小跑步態(tài)。

測試顯示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率懟到60Hz、相位差100°時(shí)，機(jī)器人進(jìn)入共振狀態(tài)，速度飆到44.6 cm/s，相當(dāng)于每秒17.8倍身長。

對比一下現(xiàn)有成果：哈佛HAMR-Fast可跑10.1倍身長/秒，科羅拉多大學(xué)CLARI達(dá)到0.88倍身長/秒，而PLioBot是HAMR的1.77倍，是CLARI的20倍。

而且它不是只會(huì)傻跑，換個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，立馬后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，指哪打哪。

有意思的是，當(dāng)60Hz高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，起跑瞬間會(huì)有角度偏差，往先動(dòng)的那條腿方向偏。團(tuán)隊(duì)解釋，這是高頻啟停沖擊大、沒有閉環(huán)控制導(dǎo)致的。不過，這也恰恰說明，PLioBot的動(dòng)力輸出足夠強(qiáng)勁，足以在啟動(dòng)瞬間擾動(dòng)機(jī)身姿態(tài)。

03.

不挑地形，能跑能游還能鉆

光跑得快不夠，能在復(fù)雜環(huán)境里完成任務(wù)才是真功夫。

PLioBot尺寸緊湊，能鉆進(jìn)最小2.5厘米寬的縫隙。由于采用了背負(fù)式驅(qū)動(dòng)器布局，驅(qū)動(dòng)器和結(jié)構(gòu)都裝在頂部，底盤高度和通過性得到了極大提升，在狹窄空間里不容易被卡住。

團(tuán)隊(duì)先測試了它在不同粗糙度表面上的表現(xiàn)。玻璃、亞克力、海綿。表面越光滑，打滑越嚴(yán)重，速度越慢。

接著是爬坡測試。3°、6°、9°、12°，速度逐級(jí)下降。12°是極限，再高就翻車。

真正考驗(yàn)的是隧道和L形彎道。PLioBot鉆進(jìn)16厘米長、3厘米寬的隧道，背上馱著1.4克載荷，以8.56 cm/s（3.42倍身長/秒）的速度順利通過。

面對L形彎道，同樣背著1.4克負(fù)載，PLioBot先小跑步態(tài)進(jìn)入，到拐彎處無縫切換成快步態(tài)，絲滑過彎。

更絕的是，它能換“鞋”下水，團(tuán)隊(duì)配了兩種可更換腳墊。

半球形腳墊：點(diǎn)接觸，適合不平整地形。碎石路（直徑3-5毫米）、鵝卵石路（5-10毫米）都能爬。腿部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著地面起伏自適應(yīng)變形，不會(huì)翻車。

鰭狀肢：下水專用。7厘米水深，沿魚缸底部爬行速度1.93 cm/s；綁上泡沫還能在水面劃水。

最深度的測試是沙地+10°斜坡+淺水無縫過渡，在沙地易陷、斜坡易滑、淺水易飄的境況下，PLioBot三種地形一次性通過。

04.

還不是完全體

PLioBot目前還拖著電線。因?yàn)樾枰?00V高壓驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)有的微型電池和升壓電路還沒集成上去。團(tuán)隊(duì)下一步要搞的就是微型高壓集成電路，把這1.2克的小家伙徹底解放。

到那時(shí)候，它才能真正鉆進(jìn)廢墟、爬進(jìn)管道、潛入水下，去人類進(jìn)不去的犄角旮旯干活。

論文里有一組“速度-負(fù)載曲線”專門為這一步鋪路。0.8克以下緩降，0.8-1.2克陡降，1.2-1.7克平臺(tái)期，1.7克以上線性下降。這條曲線告訴團(tuán)隊(duì)，如果想做無線版本，電路加電池必須控制在0.8克以內(nèi)才能保住速度。

對于這項(xiàng)技術(shù)本身，團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)更宏觀的判斷：PLioBot的配置設(shè)計(jì)、制造工藝和折紙成型方法，可以沿用到其他昆蟲級(jí)機(jī)器人上。

換句話說，這套打法是可以復(fù)制的。以后設(shè)計(jì)微型機(jī)器人，圖紙畫好、激光一切、一折一粘完事。折紙+壓電+一體化制造，這可能是昆蟲級(jí)機(jī)器人的一個(gè)新方向。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01205-4