科學家打造變形機器人：液態流動，鋼鐵般堅硬

研究人員近日開發出一種仿生機器人材料，能夠像生物組織一樣變形。受胚胎啟發，這些圓盤形機器人利用磁鐵、馬達和光線，在剛性和流體狀態之間自由切換。這項突破性技術不僅具備自我修復能力，還能隨意改變形狀，未來可能徹底改變我們建造和互動材料的方式。

「我們找到了一種方法，讓機器人更像材料一樣運作。」加州大學聖塔芭芭拉分校機械工程教授 Elliot Hawkes 實驗室的前博士研究員 Matthew Devlin 表示。這項研究於 2 月 20 日發表在《科學》期刊上，由 Devlin 擔任主要作者。這些機器人由獨立的圓盤形自主單元組成，外觀類似小型冰球，能夠根據程式指令組合成各種形態，並展現不同的材料強度。

研究團隊面臨的最大挑戰之一，是創造一種既能保持堅硬強韌，又能流動變形的機器人材料。Hawkes 解釋道：「機器人材料應該能夠固定形狀，同時也能選擇性地流動並形成新形狀。」過去，緊密連線的機器人群體難以重新排列，如今這一難題已被攻克。

研究人員從胚胎形成過程中獲得靈感，借鑒了前加州大學聖塔芭芭拉分校教授、現任德累斯頓工業大學 PoL 中心主任 Otger Campàs 的研究成果。Campàs 表示：「活體胚胎組織是最終的智慧材料，它們能夠自我塑形、自我修復，甚至控制其材料強度在空間和時間上的變化。」他的實驗室先前發現，胚胎可以暫時軟化——類似於熔化的玻璃——以塑造其最終形態。他補充道：「在胚胎塑形過程中，組織中的細胞可以在流體和固體狀態之間切換，這在物理學中被稱為剛性轉變。」

在胚胎發育過程中，細胞具有驚人的自我排列能力，將生物體從一團未分化的細胞轉變為具有特定形態（如手腳）和不同質地（如骨骼和大腦）的結構。研究人員專注於實現這些剛性轉變背後的三種生物過程：發育細胞之間施加的主動力，使它們能夠移動；生物化學訊號，使這些細胞能夠在空間和時間上協調運動；以及它們相互黏附的能力，這最終賦予了生物體最終形態的剛性。

在機器人領域，細胞間黏附的等效功能由磁鐵實現，這些磁鐵被整合到機器人單元的周邊。這使得機器人能夠相互抓住，整個群體表現得像一種剛性材料。細胞之間的額外力量被編碼到機器人單元之間的切向力中，由每個機器人圓形外部的八個馬達齒輪實現。透過調節機器人之間的這些力量，研究團隊能夠在完全鎖定和剛性的群體中實現重新配置，使它們能夠重塑形狀。動態單元間力量的引入克服了將剛性機器人群體轉變為可塑性機器人材料的挑戰，模仿了活體胚胎組織。

與此同時，生物化學訊號類似於一個全球座標系統。Hawkes 解釋道：「每個細胞都知道它的頭和尾，因此它知道該往哪個方向擠壓和施加力量。」透過這種方式，細胞群體成功地改變了組織的形狀，例如當它們彼此排列並拉長身體時。在機器人中，這一壯舉是由每個機器人頂部的光感測器完成的，這些感測器帶有偏振濾鏡。當光照射到這些感測器上時，光的偏振告訴它們應該往哪個方向旋轉齒輪，從而改變形狀。Devlin 補充道：「你可以在恆定的光場下一次性告訴它們該往哪個方向移動，它們就能全部排列並完成所需的任務。」

考慮到這一切，研究人員能夠調整和控制機器人群體，使其像智慧材料一樣運作：群體的某些部分會啟動機器人之間的動態力量並使集體流體化，而在其他部分，機器人會簡單地相互抓住，形成一種剛性材料。隨著時間的推移，在機器人群體中調節這些行為，使研究人員能夠創造出既能支撐重物，又能重塑、操縱物體，甚至自我修復的機器人材料。

目前，概念驗證的機器人群體由一組相對較大的單元（20 個）組成。然而，前博士後研究員 Sangwoo Kim 在 Campàs 實驗室進行的模擬表明，該系統可以擴充套件到更多微型單元。這可能使得由數千個單元組成的機器人材料的開發成為可能，這些材料可以隨意變換形狀並調整其物理特性，從而改變我們今天對物體的概念。

除了機器人技術之外的應用，例如物理學中的活性物質研究或生物學中的集體行為研究，這些機器人組合與機器學習策略的結合可能會在機器人材料中產生顯著的能力，將科幻夢想變為現實。

參考文獻：Matthew R. Devlin, Sangwoo Kim, Otger Campàs 和 Elliot W. Hawkes 的《具有強度和形狀時空控制的材料狀機器人群體》，2025 年 2 月 20 日，《科學》。DOI: 10.1126/science.ads7942

這項研究得到了美國國家科學基金會（NSF；撥款 1925373）和德國研究基金會（DFG）在德國卓越戰略–EXC 2068–390729961 – 德累斯頓工業大學生命物理學卓越叢集的支援。