科学家受犰狳启发，造出可按需调节的软体机器人主动形变防护骨骼

柔软，是软体机器人最大的优势，也是它们最致命的弱点。

过去十余年间，软体机器人与柔性电子领域经历了爆发式增长。从能够在狭窄管道中蠕动穿行的软体蛇形机器人，到贴合人体皮肤的可拉伸传感器，柔性使这些装置获得了传统刚性机器人无法比拟的环境适应能力与安全交互性。

然而，一个根本性的工程矛盾是，赋予它们柔软特质的那些弹性体材料，在面对冲击、穿刺乃至日常碰撞时，几乎毫无招架之力。柔性电子器件被意外踩踏后即告报废，软体机器人在野外作业中遭遇尖锐物体，便可能被“开膛破肚”。

2026 年 5 月 27 日，北卡罗来纳州立大学的朱勇教授团队在《科学-进展》（Science Advances）上发表了一篇封面文章，提出一种受犰狳启发的主动变形骨骼系统，在单一结构中同时实现了自适应形变与按需力学防护。

（来源：https://www.science.org/toc/sciadv/12/22）

这项工作将生物体中的“驱动-变形-互锁-强化”机制转化成了可制造、可编程、可预测的工程结构，研究团队将其命名为“形变互锁防护模块”（morpho-interlocking protective module, MIPM）。它让一片柔软的薄片结构在检测到外部威胁后，能够自主蜷曲成一个刚性闭合球体，从而保护内部载荷。

软体机器人的阿喀琉斯之踵

在材料科学的基本逻辑中，柔性（compliance）与防护（protection）近乎天然对立。防护要求材料具有高刚度和高强度来抵抗外力侵入，柔性则要求材料能够大幅度弯曲变形而不断裂。传统刚性机器人用金属外壳便能获得可靠防护，代价是丧失了与柔软环境交互的能力。

因此，在朱勇教授团队看来，软机器领域长期存在一个核心矛盾：柔性赋予系统变形、贴合和适应环境的能力，但也使其在冲击、穿刺或挤压等威胁下更容易失效。

过去数年间，研究者们已经尝试从自然界寻找灵感来弥合这一裂隙。2019年，麻省理工学院与哈佛大学等机构的研究者在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了受石鳖（chiton）鳞片启发的柔性铠甲设计，通过3D打印的镶嵌鳞片阵列在柔性基底上实现了防护与弯曲的兼顾。穿山甲鳞片、鱼鳞结构等生物原型也被相继转化为工程方案。

然而，这些设计解决的核心问题是静态的柔性与防护权衡，它们本质上是一层被动覆盖在柔性结构表面的铠甲，其刚度分布在制造完成后就已确定，无法根据外部环境的变化进行动态调整。换言之，它们是穿上就脱不下来的盔甲。

一堂来自犰狳的防御设计课

犰狳是哺乳动物中极为独特的一支。全球现存约二十余种犰狳，它们都拥有覆盖身体的骨质甲片（一种由真皮层骨化形成的外骨骼结构）。但在所有犰狳物种中，只有三带犰狳属（Tolypeutes）的两个物种：巴西三带犰狳（Tolypeutes tricinctus）和南方三带犰狳（Tolypeutes matacus），可将整个身体蜷缩成一个几乎完全闭合的刚性球体。

图 | 犰狳蜷缩图示（来源：受访者提供）

这种行为在生物学上被称为球缩防御，是一种主动的、由神经肌肉系统驱动的防御策略。与其他犰狳不同，三带犰狳的甲片之间存在可活动的带状区域，头部和尾部在蜷曲时能够精确互锁，形成密封的球形壳体，使捕食者的爪牙无从着力。九带犰狳（Dasypus novemcinctus）等其他物种由于甲片数量过多、带间活动度不足，无法完成这一动作，遇到威胁时只能选择挖洞逃遁。

但球缩防御远不只是把身体卷起来这么简单。它的力学基础在于一种独特的内骨骼结构：异关节脊柱。犰狳的腰椎相邻椎骨之间，除了哺乳动物通常具有的关节突之外，还额外发育出了一组独特的附属关节面，这些附加关节提供了额外的脊柱间联锁支撑。

这种外骨骼提供覆盖防护、内骨骼提供结构刚度、肌肉系统提供主动驱动的三方协同，使三带犰狳能够在柔软活动状态与刚性防御状态之间快速切换，它们也因此成了朱勇团队试图在人工结构中复现的设计蓝本。

图 | 仿生设计理念（来源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

解剖一副人造犰狳骨骼

MIPM 的设计者之一，这项研究的第一作者，北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系的博士后研究员周建宇（Jianyu Zhou）告诉 DeepTech，他们选择将犰狳的防御解剖学逻辑转译成了一个由三个功能层协同运作的工程结构。

最外层是外骨骼。它由一系列分段式弧形鳞片构成，材料是 3D 打印的光固化树脂。与此前仿生铠甲中常见的平板式刚性鳞片不同，为仿照犰狳甲片的球缩过程，MIPM 的外骨骼鳞片被设计为顺应曲率变化的弧形几何构型：当结构从平展状态弯曲为球形时，鳞片能够沿曲面连续贴合，始终保持对下方组织的覆盖。

最内层是内骨骼，它的设计灵感直接来源于犰狳的异关节脊柱。研究团队用高强度纸材折叠成一系列脊状褶皱结构，并在其中嵌入了一排由刚性聚合物制成的节段鳞片（segmental scales）。

当 MIPM 处于平展的柔性状态时，这些节段鳞片彼此分离，不干涉结构的整体弯曲。但当结构蜷曲到一定曲率后，相邻的节段鳞片会像拼图一样相互咬合、锁定，形成一个刚性的内部承载骨架。

研究团队通过实验测量、有限元仿真和理论建模三方交叉验证，发现内骨骼的长度、间距以及折纸界面的几何参数，共同决定了最终在目标曲率下的接触和承载效果。例如，包含 10 个节段鳞片的内骨骼，在互锁状态下能够承受约 10 牛顿的集中载荷。

图 | 力学响应与分析（来源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

而在外骨骼与内骨骼之间的中间层——感知与驱动层，则是整个系统得以“活起来”的神经与肌肉。这是一个由四种不同功能材料叠合而成的复合结构，每一层材料都扮演着不可替代的角色。

最靠近外骨骼一侧的是液晶弹性体（LCE）层。作为一种将液晶分子的取向有序性与聚合物网络弹性结合的智能材料，LCE 在此处扮演着“人工肌肉”的角色。室温下，液晶基元保持各向异性的有序排列，材料处于伸展状态；当温度升高至液晶相向各向同性相转变的临界温度时，有序排列被打破，导致材料发生高达 20% 以上的宏观收缩。

（来源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

紧邻 LCE 层的是一层应变传感器，由弹性聚合物基底嵌入银纳米线（AgNW）网络构成。银纳米线是朱勇课题组长期深耕的研究方向之一。

在 MIPM 中，AgNW 网络充当了“神经末梢”的角色：当外部力量触及结构表面时，弹性基底形变引起电阻变化，传感器会将信号传至控制单元触发防御反应。通过改变银纳米线浓度和基底弹性模量，触发阈值可按需调节，从轻微触碰到显著冲击，灵敏度范围宽广。

（来源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

传感器层之下是一层聚酰亚胺薄膜（Kapton），作为一种在航空航天和电子工业中广泛使用的高性能聚合物，Kapton 以其优异的热稳定性和化学惰性著称。在 MIPM 中，这一层的功能十分巧妙：它在加热时膨胀，而与之相邻的 LCE 层在加热时收缩。一胀一缩的差异应变就构成了经典的双层致动器机制，驱动整个结构产生定向弯曲变形。

最底层是一层可将电信号转化为热信号、连接感知与驱动的导电织物加热层。当控制单元接收到传感器的威胁信号后，就会向这层导电织物通电，产生焦耳热，热量向上传导，激活差异收缩机制，驱动结构变形。

为了防止局部过热导致界面失配，研究团队还专门设计了可编程的分布式加热通道，能更精准地调节局部加热区域、加热时间和饱和温度，在确保快速驱动的同时，让材料始终工作在相对安全的温度范围内。

四层功能材料与外骨骼、内骨骼组合在一起，最终形成 MIPM 的完整工作回路：当外力作用于结构表面，传感器检测到形变将信号传至控制单元，驱动通电后，焦耳热激活 LCE 收缩与 Kapton 膨胀，进而实现定向卷曲，外骨骼覆盖、内骨骼咬合锁定，最终完成从柔性到刚性球体的转变。整个过程形成自主闭环，无需人工干预。

如何让这些刚性的 3D 打印骨骼与柔软的驱动层协调变形，不发生界面脱粘或过度限制弯曲？

秘密在于连接处的“折纸式连接界面”与材料表面处理。 周建宇告诉DeepTech，如果刚性骨骼直接贴附在柔性的弹性体层上，大变形产生的剪切力极易导致层间剥离。

为此，团队在刚硬的骨骼和柔软的驱动层之间设计了一层可转动、可折叠的“折纸过渡结构”，将整体的大形变分解为局部的微小转动，极大降低了界面剪切应力。同时，他们通过等离子体表面处理增强了不同软材料层之间的结合力，在材料和结构设计两端锁死了脱粘的风险。

团队这一设计理念与犰狳体内肌肉与骨骼的整合方式高度一致：驱动力直接作用于骨骼框架本身，保证结构响应的协调性和力学效率。

不只是蜷缩

在此基础上，研究团队进一步展示了 MIPM 的多模态变形行为。除了防御性蜷缩，结构还能够实现滚动和抓取等动作模式。

图 | MIPM 的保护性操作能力（来源：DOI: 10.1126/sciadv.aed251

在概念验证实验中，研究团队让 MIPM 携带易碎载荷在模拟恶劣环境中完成了保护任务，结构成功抵御了冲击、穿刺和集中载荷等多种外力作用。

据周建宇介绍，团队还在结构端部引入了磁吸附设计。一旦MIPM卷缩成保护形态，它不需要持续的电能输入，仅靠磁吸附与内骨骼互锁就能维持在刚性防护状态。这种“变硬自锁后零能耗维持”的特性，对于要在恶劣环境下长时间执行任务的软机器而言，具有极高且务实的工程价值。而且，在经历100 次反复热驱动循环测试后，MIPM 仍能保持稳定变形能力。

而当危险过去，这个“装甲球”又是如何重新恢复柔软并继续前行的呢？

朱勇教授团队告诉 DeepTech，内骨骼的互锁本质上是几何接触和支撑，并非不可逆的机械死锁。“当 LCE 冷却并产生弹性恢复力时，内骨骼之间的咬合接触会随着整体曲率的降低逐步解除。整个过程完全依赖材料自身的弹性回弹，不需要复杂的额外解锁机构。”

此外，研究团队还在 MIPM 中集成了蓝牙模块，实现了无线无缆操控。这一工程细节实际上显著拓展了MIPM的应用场景：在危险环境（如灾后废墟搜索、化学泄漏现场）或人类难以抵达的空间中，无线操控能力使其可以独立完成保护和运输任务。

（来源：DOI: 10.1126/sciadv.aed2516）

一个新范式的雏形

研究团队指出，MIPM 代表了变形与防护并行的一种新范式。

此前的仿生铠甲研究解决的核心问题都是“静态的柔性与防护权衡”，其刚度分布在制造完成后就已确定。MIPM 则创新地引入了时间维度：结构的刚度变为可在柔性状态与防护状态之间按需切换的动态变量。

作为一项概念验证工作，目前这套基于液晶弹性体（LCE）的驱动方案，确实存在响应速度偏慢（秒级）、材料制备复杂等局限，距离实际防护所需的响应速度和极高疲劳寿命仍有距离。

面对这些问题，朱勇教授团队展现出务实和开阔的工程思维：“我们并不认为这一设计必须被 LCE 绑定。”

他们认为，“LCE 在学术验证阶段是一个极佳的‘人工肌肉’载体，能清晰展示‘感知-驱动-互锁-保护’的完整链条。但从产业量产和具体应用看，气动驱动、形状记忆合金（SMA）、电热薄膜、甚至磁驱动等方案，都有可能替代 LCE。关键取决于具体场景对速度、输出力、体积和功耗的要求。”

团队指出，学术上的方案强调功能的集成和验证；而工程上的方案则追求稳定、低成本和易于制造。MIPM 更核心的贡献在于，它提供了一套可以迁移到不同材料体系和制造工艺中的“几何设计准则”。

这套系统并不局限于某一种驱动方式或某一个尺寸范围。从微观到宏观，许多系统都面临类似的需求：既要柔软、可变形、能适应环境，又要在关键时刻具备支撑与防护能力。小到血管内的柔性医疗器械，需要在复杂弯曲通道中前进、避免损伤血管壁；大到空间飞行器或深空探测设备，也可能需要可展开、可变形，同时在冲击、振动或极端环境中保持结构可靠。

在团队最看好的近期落地场景中，面向复杂或危险环境的小型搜救机器人和探索机器人排在首位。这类系统需要足够柔软，以穿过乱石和缝隙，同时又极易遭遇尖锐物或塌方撞击，MIPM可以作为保护罩，包裹其传感器、电池和通信模块等脆弱载荷，在受到外部威胁时转变为防护构型。

从三带犰狳身上提取的外骨骼-内骨骼-肌肉协同逻辑，只是朱勇团队仿生探索的一步。自然界是一个经历了数亿年筛选的庞大灵感宝库。下一步，团队还希望探索棘皮动物、软体动物和一些昆虫结构在局部刚度调控、可逆形态保持和表面摩擦调节方面的机制，围绕不同应用建立一系列仿生软机械设计准则。

MIPM 的出现再次启示我们，在软体机器人领域，与其在柔软和坚固之间做痛苦的折中，不如构建一套精妙的机制，让机器和材料在需要柔软时柔软，在需要坚硬时坚硬。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed2516

排版：胡莉花

注：封面/首图由 AI 辅助生成