迄今為止全球最小、最輕的微型無線陸空兩棲機器人來了！它的體長僅 9cm，質量為 25g。

這項研究來自清華大學張一慧教授團隊，這款機器人具有優異的多模式運動能力：不僅能實現空中飛行，還能在地面以最高 1.6m/s 的速度奔跑，并具備實時固定變形形態的獨特性能。

圖丨陸空兩棲機器人（來源：課題組）

該研究的核心技術突破在于創新性地采用了材料與結構協同設計策略，提出了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新設計概念。

基于此，研究人員開發出一種類似“搭積木”的復雜驅動器構建方法，成功研制出一系列小尺寸但具備復雜變形能力的驅動器。其中，迷你版“變形金剛”驅動器高度僅 4.5cm，質量輕至 0.8g。

圖丨“變形金剛”的人形態與車形態（來源：課題組）

研究人員進一步將該類驅動器作為可重構外骨骼，設計制備了具有復雜變形重構能力的三維顯示器件，以及可在多種構型（如“跑車”“飛車”和“貨車”）間切換的多功能微型輪式機器人。

圖丨微型輪式機器人（來源：課題組）

審稿人認為這項工作極具創新性，“因為它探索了一種在先前的研究中未曾涉及的變形概念，并且展示了極具說服力的成果。”

近日，相關論文以《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）為題發表在Nature Machine Intelligence[1]。清華大學博士生徐世威是第一作者，張一慧教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Machine Intelligence）

用類似“搭積木”的組裝策略，實現機器人按需變形重構

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。目前，機器人主要通過兩種方式來實現形態改變：第一種是基于舵機等機械結構進行精確重構，例如人形機器人和四足機器狗；第二種則是采用具有變形和鎖定雙重功能的由智能材料構成的驅動器，例如曾登上Nature封面的仿生海龜機器人 [2]。

然而，減小電機尺寸與質量并實現其復雜變形能力頗具挑戰。當前，小尺寸（如小于 5cm）驅動器存在技術瓶頸，難以同步達成連續的形狀改變與構型鎖定，也不易實現同源且相互獨立的變形和鎖定控制，這極大阻礙了多模式機器人朝著微型化、無線化方向發展。

為突破這一技術瓶頸，研究團隊運用材料與結構協同設計方法，提出了一種新型薄膜狀電熱響應驅動器的設計制造方法，該驅動器具備連續形狀變化和構型鎖定功能。

這種設計具有三大技術優勢：一是能夠連續形狀變化與構型鎖定的功能集成；二是顯著減輕了驅動器質量并縮小了尺寸；三是驅動器鎖定構型具有較強的承載能力，使其可作為可重構外骨骼實現微型機器人的復雜形態變化。

在具體實現路徑上，該課題組建立了完整的設計體系：首先基于力學理論和仿真模擬技術，實現了驅動器變形效果的精準預測；隨后通過精密加工工藝，成功實現了薄膜和塊體驅動器單胞制備；更重要的是，他們開創性地提出了一套逆向設計方法——從目標功能與變形效果出發，反向推導驅動器單胞的組成與搭接方式。

圖丨薄膜和塊體驅動器單胞（來源：課題組）

徐世威對 DeepTech 解釋說道：“這種類似樂高積木的組裝策略，使搭建的驅動器可作為機器人外骨骼，‘即插即用’地實現機器人按需變形重構。”

（來源：Nature Machine Intelligence）

具體來說，驅動器單胞間主要采用膠水對準粘接工藝，賦予其優異的可拆卸性與替換性。這種模塊化的構建方式極大提升了機器人的功能拓展能力，通過添加不同單胞作為外骨骼組件，即可快速賦予機器人全新功能，滿足多樣化應用需求。

（來源：Nature Machine Intelligence）

以輪式機器人為例，運用該逆向設計方法，可針對性構建關鍵驅動器單胞，實現“跑車”“飛車”和“貨車”三種形態的靈活轉換，為微型機器人設計提供了全新范式。

該研究始于 2022 年 11 月，在整個過程中研究人員攻克了多項關鍵技術難題。首要挑戰在于小尺寸驅動器的開發方面，傳統變體機器人多采用體積大、質量重的伺服電機實現形態變換，嚴重制約小型化發展。

研究人員通過創新的“材料-結構”協同設計，巧妙組合了兩種智能材料——液晶彈性體和形狀記憶聚合物，并在結構中引入熱隔離空腔，首次實現了小尺寸驅動器在電熱驅動下的可控連續變形與鎖定功能。

需要了解的是，驅動器在電熱驅動時最高溫度約為 70℃，這對其在柔性電子及可穿戴設備的應用具有一定局限性。為解決該問題，研究人員開發了具備不同玻璃化溫度（Tg）的形狀記憶聚合物及不同相轉變溫度（TNI）的液晶彈性體。

該驅動器可用于構建可變形電子器件，通過構型改變實現其功能切換。此外，由于該驅動器還具備較強的承載能力以及變剛度特性，有望構建用于 VR/AR 的觸覺反饋器件。

第二個重大挑戰在于驅動器與微型機器人系統的無縫集成。為實現陸空兩棲機器人的可控形態切換及多模式運動，該課題組對驅動器的尺寸、厚度等參數進行了系統優化，同時對機器人的旋翼尺寸、旋翼間距及電機型號等關鍵參數進行了精細設計。經過室內外復雜環境下的穩定性測試與迭代優化，最終成功實現了機器人的穩定運行。

回顧歷時兩年多的研究過程，徐世威特別提到一個難忘時刻：“2023 年除夕夜，當校園一片寂靜時，我們實驗室仍燈火通明。經過反復優化設計和實驗驗證，我終于在跨年之際成功實現陸空兩棲機器人的形態切換，并完成其在復雜環境中的陸地與空中運動模式間的轉換。這一突破不僅是對個人科研堅持的回報，更是團隊協作與智慧的結晶，也更加堅定了我在科研創新道路上繼續探索的決心。”

“小”身板，“大”應用

這款陸空兩棲機器人系統憑借其突出的變形/鎖定能力以及強大的運動性能，在多個領域展現出廣闊的應用前景：

在安防與救援領域，其多模式運動能力及微小身軀使其能在復雜地形中實現障礙物穿越與裂縫飛越，特別適用于災后搜救和狹窄空間探測等場景。

在環境探測方面，模塊化集成的多類型傳感器系統支持陸地、空中及復雜過渡地形的全域數據采集，可提供實時、精準的環境監測數據。

在智能家居應用上，該機器人憑借獨特的空間適應能力和陸地長續航特性，可實現家居設備的智能巡檢與維護，顯著提升居家安全性和便利性。

在醫療器械領域，該技術可延伸應用于可展開式植入設備開發，如智能電子支架、微型無影燈等，為微創手術提供創新解決方案。

此外，在可穿戴和消費電子領域，這項技術有望推動三維動態顯示界面、VR/AR 觸覺反饋系統等新一代人機交互產品的發展，亦可加速新形態電子器件的發展，如聲控自主折疊電子產品，將顯著提升用戶體驗。

圖丨張一慧（左）與徐世威（右）（來源：張一慧、徐世威）

張一慧教授曾入選 2016 年《麻省理工科技評論》全球“35 歲以下科技創新 35 人”。在柔性電子器件與微型機器人技術快速發展的時代背景下，他帶領團隊長期專注于力學引導的三維微納結構及電子器件組裝制造方法研究，在力學理論、設計方法及新形態電子器件與系統制造等方面取得系列具有原創性的研究成果。

基于所創建的三維組裝制造方法，該團隊先后研制出微型軟體攀爬機器人、具有仿生三維架構的電子皮膚、具有傳感能力的球帽狀電子細胞支架等創新器件及系統（DeepTech 此前報道：清華團隊利用仿生微點陣定制復雜曲面，制備新型三維生醫電子器件；清華大學合作研發全球最小飛行結構登上Nature封面，只有筆芯大小，靈感來自楓樹種子）。

此外，團隊還提出基于多級點陣結構的網狀材料設計新概念，建立了其非線性細觀力學大變形理論模型，制備出可精確匹配生物組織力學性能的仿生材料，以及具有超大負溶脹、可編程多穩態特性等非常規性質的力學超材料，并據此研制出用于生物軟組織再生的柔性網狀支架等新型器件。

徐世威是 2020 年加入該課題組的博士生，他創新性地融合了液晶彈性體驅動應變定制化設計策略與屈曲組裝技術，成功研發出三維電響應驅動器，其不僅能定制三維構型，還可調節剛度 [3]。基于該技術，徐世威開發的微型軟體機器人（體長 6-90mm，質量 0.2-3g）實現了在多種材質及不同形貌墻面上的自主攀爬與不同墻面間的過渡運動，突破了傳統爬壁機器人的環境適應性限制。此外，他還建立了基于鍍膜輔助固形策略和屈曲組裝方法的獨立三維結構固形效果解析力學模型，為復雜三維驅動器的設計提供了堅實的理論基礎 [4]。

該課題組在微型驅動器領域的后續研究中將聚焦三個方向：

一是探索更多功能材料與結構組合方案，進一步提升驅動器的響應速度、能效比和穩定性，以滿足更高精度、更高負載、多場景切換的應用需求。“由于微型機器人的電池體積非常小，續航能力有待提升，因此我們將探索太陽能電池等方式對鋰電池進行能量補充。”徐世威說。

二是深入推進驅動器與機器人系統的智能化和集成化，包括引入高性能柔性傳感器，結合 AI 芯片運算實現“感-驅-控”一體的閉環控制系統，從而提升微型機器人在復雜環境下的自主決策能力。

三是積極拓展該類驅動器在可穿戴電子領域的應用邊界，探索其在智能醫療、人機交互等更多場景的潛在價值 [5]。

對此，徐世威提出了一種體內診療機器人的構想：未來可通過口服內置微型機器人的智能膠囊實現體內介入診療。該膠囊搭載的機器人兼具自主運動與外部磁場精準導航功能，能經消化道抵達指定病灶，如腸道息肉處。當膠囊到達目標位置后，外殼破裂釋放機器人，機器人在變形后抓取、切除病灶，術后自動降解，規避傳統手術殘留風險。

此外，機器人集成多模態傳感元件，可附著于心臟表面采集心電信號等生理指標，或纏繞血管、神經進行血流參數監測、神經電信號采集等原位檢測，以運動、操作、感知一體化設計，推動精準醫療向微創、智能、全周期方向發展，為消化道、心血管等腔內疾病診療開辟新路徑。

考慮到新型驅動系統和微型機器人技術的特殊性，研究人員認為，未來在技術成熟后，將優先考慮與具有場景落地能力的行業伙伴展開深度合作。

參考資料：

1.Xu S, Hu X, Yang R, et al. Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking.Nature Machine Intelligence,2025, https://doi.org/10.1038/s42256-025-01028-4

2.Baines R, Patiballa S K, Booth J, et al. Multi-environment robotic transitions through adaptive morphogenesis.Nature, 2022, 610(7931): 283-289. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05188-w

3.Pang W?, Xu S?, Wu J, et al. A soft microrobot with highly deformable 3D actuators for climbing and transitioning complex surfaces.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119(49): e2215028119. https://doi.org/10.1073/pnas.2215028119

4.Xu S, Tang Z, Yang R, et al. A mechanics model of coating-assisted strategy for shape fixation of 3D mesostructures based on buckling-guided assembly.European Journal of Mechanics-A/Solids, 2025, 111: 105549. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2024.105549

5.Xu S, Yang R, Yang Y, et al. Shape-morphing bioelectronic devices.Materials Horizons, 2025,https://doi.org/10.1039/D5MH00453E

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