形狀重構能力可賦予機器人豐富多樣的運動模式，極大提升機器人的環境適應能力。當前，這類機器人主要通過兩種方式來實現形態改變：一是采用舵機等機械結構精確重構；二是依靠智能材料制成、兼具變形和鎖定能力的變剛度驅動器。對于研究人員而言，減小電機尺寸與質量并實現其復雜變形能力頗具挑戰。現有驅動器在小尺度(如<5cm)下，難以同時實現連續的形狀變化與構型鎖定，也難以達成同源且解耦的變形與鎖定控制，嚴重制約了多模式機器人向微型化與無線化發展。
 

　　近日，清華大學航天航空學院、柔性電子技術國家級重點實驗室(柔電國重)張一慧教授課題組采用材料與結構協同設計的策略，提出了一種具有連續形狀變化和構型鎖定能力的薄膜形電熱響應驅動器的設計概念。與其他具有變形及鎖定能力的驅動器相比，該類驅動器具有最小的尺寸以及最大的彎曲變形角度。在此基礎上，課題組研制了具有復雜變形模式的薄膜單胞和塊體單胞，進而構建起一套“搭積木”式的設計方法，可用于制備具有復雜形狀重構能力的驅動器(如“變形金剛”等)(圖1)。
 

　　圖1.具有連續變形和鎖定能力的小尺度驅動器。(a)為驅動器的變形和鎖定示意圖；(b)為基于“搭積木”設計策略的“變形金剛”驅動器。(比例尺：10mm)

 

　　該驅動器具備優異的變形和鎖定能力以及較強的承載特性，可作為可重構外骨骼，用以集成傳感器、電機等功能元器件，進而構建復雜的機器人系統(圖2)。基于此，課題組設計制備了具有復雜變形重構能力的三維顯示器件、可在多種構型(如“跑車”“飛車”和“貨車”)間切換的多功能微型輪式機器人，以及世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機器人(體長9cm；質量25g；其地面運動速度為每秒18.2個身長)。
 

　　圖2.基于該驅動器的可重構系統。(a)為多功能微型輪式機器人；(b)為微型陸空兩棲機器人；(c)-(d)為微型陸空兩棲機器人的戶外運動場景展示。(比例尺：(a)10mm、(b)30mm)
 

　　4月18日，相關研究成果以“具有連續三維變形和鎖定能力的可重構機器”(Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking)為題，在線發表于《自然·機器智能》(Nature Machine Intelligence)。
 

　　清華大學航天航空學院、柔性電子技術國家級重點實驗室(柔電國重)教授張一慧為論文通訊作者，航天航空學院2020級博士生徐世威為論文第一作者。論文作者還包括清華大學航天航空學院2021級博士生胡笑男、2024級博士生臧傳奇、2023級博士生羊佑舟、2022級博士生賴禹辰、2018級博士生鄔軍，航天航空學院博士后楊若曦、肖越、劉文博、龐文博、劉卿，柔電國重副研究員柏韌恒，以及清華大學機械工程系副教授趙慧嬋、北京航空航天大學教授文力、北京航空航天大學博士生田博丞和李磊。研究得到國家自然科學基金委、科學探索獎、清華大學國強研究院等的資助。