河海大学团队研发仿生机器人，解决软机器人承重难题

金色港湾资讯网 2026-05-16 文末可点击分享

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于人们传统印象里，软体机器人好像一贯是“软塌塌”的，使它灵活地钻入狭窄空间，它便难以扛起重物，要是想让它承重，又不得不舍弃灵活性，变得“笨手笨脚”，这种“柔性”跟“刚性”无法同时获得的“两难困境”，长久限制着软体机器人在微创手术、康复医疗等精密领域的发展，然而，这一僵局正被一项源于大自然的灵感给打破。

近日，河海大学徐林森教授团队有研究成果发表于《中国科学：技术科学》，此成果展示了一款“全能选手”，名为“仿生线性变刚度机器人（LTSR）”，它巧妙融合了二种差异显著的生物特性，其一它能像大象鼻子那样做大范围灵活伸缩，其二它能像穿山甲鳞片那样瞬间切换至“硬核模式”，并且其刚度超出了同类软件机器人的2倍以上，这项研究给予了软体机器人此前未曾有的“刚柔并济”能力。

师法自然：两大生物灵感赋能

该机器人核心设计的灵感来源，直接是自然界里两种卓越的生物结构。

灵感一：大象鼻子施展的“静水伸缩术”。大象有着鼻子，蚯蚓具备身体，鱿鱼拥有触手，它们都依赖一种叫“静水骨骼”的机制。这些生物体内液体体积基本保持恒定，当肌肉收缩时，所产生的力经由不可压缩的液体传递至全身，借此达成伸长、弯曲等复杂运动，并且不会损失支撑力。研究团队受此启发，把机器人的驱动核心设计为由不可压缩硅胶制成的波纹管状柔性部件，还在外部缠绕凯夫拉纤维来限制其径向膨胀。当朝着内部充进气体之时，流体压力致使波纹管顺着轴向顺利地伸长，并非朝着横向变粗，精妙地重现了“大象鼻子发力变长”的优雅力学。

灵感之二是穿山甲鳞片的“重叠变硬术”，穿山甲的鳞片平常是重叠着排列的，其活动呢很是灵活，一旦碰到危险的时候，鳞片就会快速地收紧，并且相互卡死，它的身体一下子就变得坚硬起来用以抵御冲击。研究团队在机器人的外层有创新性地增添了一层“仿生重叠阻塞层”，他们把特制薄膜如同鳞片那般进行层叠排列，然后封装在一个密封壳体内。当要求机器人变硬之时，抽走壳内的空气从而形成负压，层叠的薄膜就会被大气压紧紧地压合在一起，层间的摩擦力急剧增大，紧接着机器人就“锁死”变刚。反之，充回空气，薄膜恢复自由滑动，机器人又重回灵活状态。

技术突破：实现“伸得远”且“硬得起”

基于两大仿生结构，团队借助两项关键技术进行优化，进而把性能提升到全新高度。

技术一：对结构予以优化，达成伸长率变为两倍的成效。团队起先构建了精准的运动学模型，用以平衡硅胶弹性跟气体驱动力之间的关系。接着，运用多目标优化算法针对波纹管的几何参数开展精细调试：把凸起长度削减10%，将凹槽长度增添23.5%，把管壁厚度减薄10.7%，与此同时把内径扩大20.2%。优化所产生的效果十分显著。在50千帕的工作压力状况下，优化之后的机器人伸长量抵达130.19毫米，是优化之前的两倍还多啦。更具说服力的是，理论方面的计算，以及计算机所进行的仿真，和实物实验最终呈现的结果，达到了高度的吻合状态，误差比5%还要低。

河海大学团队研发仿生机器人，解决软机器人承重难题(图1)

技术二为仿生黏附材料，其刚度实现了提升三倍，传统的层间阻塞材料像PET薄膜、纸张等，摩擦力存在局限，致使机器人变硬之后负载能力依旧欠缺。团队开拓出全新路径，选用了一种表面布满微小绒毛的仿生黏附材料当作阻塞层，这些绒毛直径约70微米，高约300微米。这种类似壁虎脚掌的结构，借助分子间的范德华力极大地增加了有效接触面积与摩擦力。试验显示，这种材料于471.81帕压强之下，其摩擦系数竟高达0.863，乃是普通片状材料的2至3倍。

有一种机器人，被称作B-LTSR，它搭载了这种仿生黏附材料，其最大刚度一下子跃升至21.45牛顿/毫米，这一数值是其他主流软体机器人的2倍还要多。与此同时，它能够在“极软”以及“极硬”的状态之间，自由自在、 swift飞速地进行切换，它的刚度调节范围相较于同类产品而言，要宽出3倍。