近日，清华大学张一慧教授课题组在Science Advances上以研究论文形式发表了题为“Musculoskeletal actuators with programmable morphology and tunable dynamics”的研究成果。课题组受生物肌肉骨骼系统启发，将可形态重构的“骨骼”模块与快响应变刚度“肌肉”模块串联集成，提出了形态可编程且动力学可调的肌骨致动器。基于该设计，团队构建了多款兼具复杂重构能力与多样驱动模式的仿生致动器，并研制出可在四足与人形状态间切换的微型变体机器人，以及兼具地面行进、负载搬运、水面巡游和空中滑翔能力的仿蜜袋鼯无线微型机器人。

形态重构是提升机器人环境适应性的重要技术，能够帮助同一机器人突破单一运动模式的局限，适应复杂地形、狭窄空间与多介质作业场景。当前，主流变体机器人普遍采用“两套系统”的设计思路：一套机构负责构型切换（如变刚度致动器、舵机），另一套负责动力输出（如直流电机）。驱动元件冗余、机械结构复杂的问题，很大程度上限制了机器人向微型化、无线轻量化方向发展。尤其是在厘米尺度下，如何依托一体化驱动架构同时实现几何形态的编程重构与动力学性能的快速调控，仍是该领域面临的重要问题。

生物肌肉骨骼系统为这一问题提供了新的启示：骨骼与关节决定身体整体构型，肌肉提供快速运动输出，同时肌肉自身的刚度与响应速度还可通过神经信号实时调节。受此启发，研究团队提出了人造肌骨致动器的协同设计方案：将可形态重构的“骨骼模块”与快响应变刚度“肌肉模块”串联集成，在同一柔性驱动体系中实现了几何形态与动态特性的独立编程调控（图1）。

图1.肌骨致动器的设计概念

如图1所示，骨骼模块沿用该团队之前开发的技术（Nature Machine Intelligence, 2025, 7: 703-715），采用液晶弹性体（LCE）与形状记忆聚合物（SMP）材料-结构协同设计方案。其中，LCE受热可产生可控收缩形变，搭配高温软化的SMP材料，共同驱动骨骼结构完成精准弯曲变形；待温度降低后，SMP快速恢复高刚度特性，可将骨骼稳定锁定在任意形变中间构型，实现连续可变形、可锁定的形态调控。肌肉模块则由基于多层聚二甲基硅氧烷（PDMS）的介电弹性体（DE）、柔性电极和电热调刚度的SMP层堆叠组成。DE负责快速周期性驱动，SMP的模量变化则用于调节整体肌肉刚度。通过对骨骼模块与肌肉模块施加独立的电控信号，即可分别调控几何构型、共振频率、振动幅值与输出力，真正实现了形态与动力学的可编程（图2）。

图2.肌肉和骨骼模块的工作原理

在基础肌肉模块中，研究团队对SMP层和DE层的厚度进行了系统优化。当肌肉加热电压由0 V增加至5.5 V时，SMP逐渐软化，肌肉刚度下降，其共振频率由64 Hz下降至14 Hz，而共振弯曲角由约2.5°提升至75°；输出力则受到刚度降低和变形增大两种竞争效应的共同影响，在中等刚度状态下达到峰值，如图3所示。

图3. (A) 肌肉模块不同刚度下的幅频响应曲线；(B) 肌肉模块刚度和共振频率下驱动力与电热电压的关系；(C) 肌肉模块不同刚度下驱动力与输入高压的关系

因此，对于肌肉模块，其响应幅度、驱动频率由输入高压UDE进行调控，因刚度变化引起的动态响应特性变化则由电热电压USMP-M进行调控，如图4所示。

图4 肌肉模块的可调动态响应（视频）

如图5所示，骨骼构型也会对系统动力学特性产生一定影响：随着骨骼弯曲角增大，低刚度肌肉状态下致动器的共振频率可从11 Hz提升至16 Hz。此外，致动器可以在低刚度状态下获得大幅快速变形，也可以在高刚度状态下增强承载能力。例如，质量仅0.18 g的基础致动器在锁定状态下可承受3 g负载。整体而言，该致动器并非追求单一性能指标的极致，而是实现了变形幅度、输出力、承载能力与能耗之间的灵活平衡。其中，肌肉刚度是调控共振频率、振动幅值、输出力与承载特性的核心变量，骨骼构型则主要改变几何形态，对动力学的调控作用相对有限。尽管驱动能耗随频率升高而整体上升，但致动器在共振频率附近可获得最大变形幅度与输出力。

图5. (A) 致动器构型对共振频率的影响；(B) 致动器不同构型下的变形响应；(C) 致动器的高刚度承载特性。比例尺为5 mm

通过改变骨骼和肌肉模块的数量、连接方式以及空间布局，研究团队构建出多款形态与动态特性各异的仿生致动器，如图6所示。孔雀致动器通过骨骼模块展开尾羽，同时由肌肉模块实现高频摆尾动作；啄木鸟致动器利用两组骨骼模块分别调节颈部弯曲和转向，并通过肌肉实现往复啄击；蝎子致动器则在尾部交替布置多个骨骼和肌肉模块，通过改变尾部构型、局部刚度分布和驱动频率，产生整尾摆动、尾尖局部振动以及弯曲-剪切耦合等多种动态行为。

图6. (A) 蝎子致动器；(B) 啄木鸟致动器；(C) 蝎子致动器。比例尺为2 cm

人形致动器则集成了四个肌肉模块和多组骨骼模块，可以在不同构型下完成类人的踢腿、行走、跑动、跳跃和游动等动作，并兼具静态负重能力（图7）。

图7. 人形致动器（视频）

基于上述肌骨致动器，研究团队研制出一款质量仅1.8 g的微型变体机器人，通过有线控制，可从初始平面构型依次切换为四足爬行构型与人形操作构型，如图8所示。

图8. 机器人变形过程（视频）

在四足状态下，前后腿肌肉模块交替驱动，实现快速爬行（图9）。通过调节腿部骨骼构型，机器人能够降低身体高度并穿过仅5 mm高的狭窄通道。借助肌肉刚度的动态调控，机器人还能在运动速度与承载能力之间灵活权衡：低刚度状态下最高行进速度可达3.0身长/秒；高刚度状态下可携带6 g负载，超过自身质量的3倍。

图9. 四足前进（视频）

当机器人进一步转变为人形状态后，前肢从支撑与运动功能中释放，可用于物体操作。研究人员在前肢末端集成附加夹爪骨骼模块，使机器人能够弯腰抓取纸球、重新站立，并通过摆臂和张开夹爪完成抛掷（图10）。

图10. 人形状态（视频）

为验证该驱动方案在无线、跨环境场景下的应用潜力，研究团队进一步开发了一款仿蜜袋鼯无线多模态微型机器人（图11）。机器人收拢状态尺寸约5 cm × 2 cm × 1.5 cm（state I），总质量仅6.4 g，集成了超轻高压控制电路、微型锂电池、可展开翼膜骨骼模块、可变形载物舱骨骼模块与肌肉驱动模块。其控制电路质量仅1.04 g，可将3.7 V锂电池输入转换为最高约9.5 kV的低至中频高压波形，这是以往较难实现的。电路可通过红外遥控独立调节骨骼变形、肌肉刚度和驱动频率。

图11. (A) 蜜袋鼯示意图；(B) 微型机器人；(C) 电路原理示意图；(D) 电路板升压降压曲线；(E) 电路板输出能力展示。比例尺为2 cm

该机器人具有三种代表性构型，可实现四种不同的运动模态。在收拢状态下（state I），机器人利用各向异性摩擦和肌肉振动实现快速地面运动，行进速度最快可达1.1身长/秒，可攀爬20°斜坡（图12）。

图12. 爬坡运动（视频）

展开载物舱后（state II），机器人可利用载物仓的连续变形锁定功能，携带纸夹、塑料管和泡沫块等不同形状的物体。此外，在高刚度肌肉状态下，最大负载达到3.6 g，如图13所示。

图13. 机器人载物运动（视频）

展开两侧翼膜后（state III），机器人可获得较大的浮力，可在硅油或水面运动，其中水面行进速度最快可达0.37个身长/秒（图14）。

图14. 机器人液面游泳（视频）

上扬的翼膜还可在下落过程中产生升力，实现稳定滑翔、姿态校正与平缓着陆，落地后可无缝切换为地面行进模式（图15）。

图15. 机器人液面游泳（视频）

在能耗方面，载物舱开启和翼膜展开所需能量均低于电池容量的3.5%；在肌肉高功耗工作条件下，系统的保守连续运行时间约为20分钟。与同类无线变体机器人相比，该系统在厘米级尺寸、克级重量的限制下，实现了地-载-水-空多模态作业，且驱动主体全部由软活性材料构成。

该工作将形态重构与动力学调控融入同一模块化驱动体系，搭建了从基础驱动单元到集成机器人系统的完整设计链条。未来，随着介电弹性体长期可靠性与电绝缘性能的提升、机载高压电路频率范围的拓展，以及惯性、光学、压力等传感器的集成，该类机器人有望实现基于自身状态与环境感知的闭环自主调控，进一步提升无线变体机器人在非结构化场景中的适应性与智能化水平。

清华大学张一慧教授为论文通讯作者，清华大学航天航空学院2020级博士生徐世威为论文第一作者。论文作者还包括清华大学航天航空学院2024级博士生臧传奇、2023级博士生唐振家、2021级博士生胡笑男、2018级博士生刘志、2022级本科生高泽昊，航天航空学院博士后杨若曦、刘丽雅、庞文博，柔性电子技术国家级重点实验室副研究员柏韧恒，北京航空航天大学漆明净教授，以及北京航空航天大学博士生彭谨哲和申威。该研究成果得到了国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、科学探索奖、国家重点研发计划等项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg4524