沒有電機(jī)，沒有齒輪，沒有外部氣動(dòng)控制——普林斯頓大學(xué)的工程師們用一只會(huì)扇翅的折紙紙鶴，向外界展示了軟體機(jī)器人技術(shù)的全新可能。這項(xiàng)發(fā)表于2025年3月《先進(jìn)功能材料》期刊的研究，將液晶彈性體（LCE）、柔性印刷電路與折紙力學(xué)數(shù)學(xué)模型三者深度融合，造出了一類可反復(fù)變形、自主運(yùn)動(dòng)且無明顯損耗的軟硬混合機(jī)器人。

軟體機(jī)器人因其柔順性和對精細(xì)物體的操控能力，長期被視為醫(yī)療植入物、體內(nèi)給藥裝置及危險(xiǎn)環(huán)境探測的理想載體。然而，傳統(tǒng)軟體機(jī)器人往往受制于剛性機(jī)械部件或外接能源系統(tǒng)，在小型化和自主性方面存在明顯瓶頸。普林斯頓大學(xué)Emily Davidson教授與Glaucio Paulino教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，此次正面突破了這一局限。

3D打印液晶彈性體：分子取向決定變形路徑

整套系統(tǒng)的核心在于一種特殊聚合物——液晶彈性體。不同于普通柔性材料，液晶彈性體內(nèi)部分子具有高度有序的排列結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)使用Davidson實(shí)驗(yàn)室自研的定制化3D打印機(jī)，在打印過程中實(shí)時(shí)調(diào)控聚合物的分子取向，使材料在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的內(nèi)部排列。

這一"分區(qū)編程"的關(guān)鍵在于：當(dāng)材料受熱時(shí)，各區(qū)域會(huì)按預(yù)先設(shè)定的方向收縮，從而驅(qū)動(dòng)特定位置的"鉸鏈"產(chǎn)生折疊動(dòng)作。研究人員在打印階段同步將柔性印刷電路板嵌入鉸鏈結(jié)構(gòu)，而非事后粘貼——這一一體化制造方式不僅簡化了工藝流程，還顯著提升了電路與材料結(jié)構(gòu)的功能融合度。鉸鏈之間的區(qū)域則貼附輕薄玻璃纖維板，確保彎折動(dòng)作精準(zhǔn)發(fā)生在鉸鏈處，不出現(xiàn)意外變形。

Davidson教授指出，此次研究的關(guān)鍵突破在于：將3D打印液晶彈性體與可商業(yè)化生產(chǎn)的柔性印刷電路板實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，使軟硬混合機(jī)器人的制造與控制真正具備可行性。

折紙數(shù)學(xué)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制，誤差自動(dòng)修正

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制同樣頗具巧思。團(tuán)隊(duì)借鑒Paulino教授多年深耕折紙工程學(xué)的數(shù)學(xué)成果，以折疊與展開的幾何模型為基礎(chǔ)，通過嵌入式溫度傳感器構(gòu)建閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人在反復(fù)變形過程中出現(xiàn)微小累積誤差時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度分布，軟件自動(dòng)補(bǔ)償偏差，保證機(jī)器人能夠精準(zhǔn)復(fù)位、循環(huán)動(dòng)作而不出現(xiàn)疲勞變形。

演示實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)制造了一只折紙鶴造型的軟體機(jī)器人：通入電流后，鶴翅按照程序設(shè)定的節(jié)律反復(fù)扇動(dòng)，整個(gè)過程無電機(jī)介入，僅靠對聚合物特定區(qū)域的定向加熱實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。這一演示驗(yàn)證了系統(tǒng)在實(shí)時(shí)可編程序列下的性與可重復(fù)性——而這正是未來實(shí)際應(yīng)用的核心指標(biāo)。

Paulino教授的團(tuán)隊(duì)此前已在折紙機(jī)器人領(lǐng)域積累了豐富成果，涵蓋可在復(fù)雜路徑中穿行的分節(jié)軟體機(jī)器人、能在磁場中自適應(yīng)重構(gòu)形態(tài)的機(jī)器人，以及可加密信息、充當(dāng)機(jī)械計(jì)算機(jī)的可編程系統(tǒng)。此次與Davidson團(tuán)隊(duì)的跨學(xué)科合作，將材料科學(xué)、電子工程與幾何力學(xué)融為一爐，進(jìn)一步拓展了折紙機(jī)器人的技術(shù)邊界。

從本科畢業(yè)論文到開源工具

值得關(guān)注的是，這項(xiàng)研究Zui初源于普林斯頓大學(xué)本科生David Bershadsky的畢業(yè)論文項(xiàng)目。Bershadsky在高中階段便對集群機(jī)器人產(chǎn)生濃厚興趣，進(jìn)入普林斯頓后希望探索能夠根據(jù)體積變化自我重構(gòu)的單元機(jī)器人。他判斷液晶彈性體可作為實(shí)現(xiàn)這類系統(tǒng)的理想載體，由此找到Davidson教授尋求指導(dǎo)；Davidson建議他同時(shí)修讀Paulino的折紙工程課程，由此促成了三位研究者的合作。Bershadsky目前已進(jìn)入德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校攻讀博士學(xué)位，并于2024年獲得普林斯頓大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位。

Bershadsky將整個(gè)項(xiàng)目定性為"以可制造性為核心導(dǎo)向的材料科學(xué)與機(jī)器人學(xué)集成"。他坦言，系統(tǒng)集成才是Zui大難點(diǎn)——將液晶彈性體、柔性電路、折紙幾何與閉環(huán)控制軟件捏合成一個(gè)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的整體，是這項(xiàng)工作Zui具挑戰(zhàn)性的部分。為降低后續(xù)研究的門檻，他還專門開發(fā)了一套設(shè)計(jì)工具軟件，供其他研究者自行設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人，目前已隨論文數(shù)據(jù)集一并開源發(fā)布于實(shí)驗(yàn)室GitHub平臺(tái)。本項(xiàng)目獲得普林斯頓大學(xué)多個(gè)內(nèi)部基金及美國國家科學(xué)基金會(huì)的聯(lián)合資助。

軟硬混合、無電機(jī)驅(qū)動(dòng)、可編程折紙——這套技術(shù)路線為微型化、低功耗機(jī)器人開辟了新的設(shè)計(jì)范式。對于國內(nèi)正在布局醫(yī)療機(jī)器人、柔性電子與智能材料的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)而言，液晶彈性體的分子取向編程與一體化柔性電路制造工藝，是值得重點(diǎn)跟蹤的技術(shù)方向；而將折紙力學(xué)引入機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，也為降低機(jī)械復(fù)雜度、提升系統(tǒng)可靠性提供了新的參考路徑。