機器人前瞻（公眾號：robot_pro）
編譯 江宇
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機器人前瞻4月24日消息，普林斯頓大學工程學院開發(fā)出一種突破性材料，稱為“元機器人”（metabot）。這種材料無需電機或內部齒輪，就能通過外部磁場控制實現(xiàn)擴展、變形、移動等復雜行為，是一種將材料和機器人功能合二為一的機械超材料。

據(jù)2025年4月23日《自然》雜志發(fā)表的同行評審論文，這一成果結合折紙藝術與電磁控制技術，展現(xiàn)其在軟體機器人、醫(yī)療、熱調控和光學領域的廣闊應用潛力。

一、手性折紙驅動的超材料技術

元機器人是一種超材料，其獨特性能源于物理結構而非化學成分。研究團隊受折紙藝術中的“Kresling圖案”啟發(fā)，設計出由簡單塑料和定制磁性復合材料構成的模塊化單元。

這些單元呈手性（鏡像對稱）排列，通過底部連接形成長圓柱體，每個單元可獨立響應精確設計的磁場，產(chǎn)生扭轉、壓縮或展開等動作。

研究負責人、普林斯頓大學工程學教授格勞西奧·保利諾（Glaucio Paulino）表示：“這種材料可在材料與機器人間自由轉換，完全通過外部磁場控制，無需內置電機或齒輪。”

團隊通過電磁場同時傳遞能量和信號，實現(xiàn)了復雜行為的精準控制。電氣與計算機工程學副教授陳敏杰（Minjie Chen）強調，磁場驅動使元機器人能夠瞬時、精確地傳遞扭矩，觸發(fā)復雜運動。

例如，材料在順時針扭轉時坍縮，逆時針扭轉時展開，并能通過扭轉順序模擬“遲滯”現(xiàn)象，即材料變形不僅取決于當前扭轉方向，還受此前扭轉歷史影響。比如先順時針再逆時針時，恢復原狀所需的扭轉幅度可能更大。

這種非對稱行為為工程、物理和經(jīng)濟學中復雜系統(tǒng)的建模提供了全新物理模擬方法。研究還展示了微型原型，利用激光光刻技術制造出高度僅100微米的元機器人，略厚于人類頭發(fā)，驗證了技術的可行性。

二、從微型元機器人到熱調節(jié)器的場景探索

元機器人的多功能性使其在多個領域展現(xiàn)出巨大潛力。

首先，在醫(yī)療領域，微型元機器人可用于體內藥物精準遞送或協(xié)助外科醫(yī)生修復受損骨骼和組織。研究團隊在普林斯頓材料研究所通過實驗驗證了其微米級精度的可控性，未來有望應用于微創(chuàng)手術。

其次，在熱調控方面，元機器人通過在吸光黑色表面與反射表面間切換，實現(xiàn)溫度調節(jié)。實驗顯示，在強陽光下，材料表面溫度可在27℃至70℃間自由調節(jié)，適用于智能建筑或航天器熱管理。

此外，元機器人還可用于光學和通信領域，例如制造可調天線或處理光波長的透鏡設備。研究還探索了其在邏輯模擬中的潛力，通過物理結構模擬計算機中晶體管的邏輯門行為，為復雜非交換狀態(tài)的物理建模提供了可能。

然而，實際應用仍面臨挑戰(zhàn)，包括大規(guī)模制造、長期穩(wěn)定性和復雜環(huán)境適應性。團隊表示，當前研究為早期階段，需進一步優(yōu)化材料設計和控制系統(tǒng)以實現(xiàn)商業(yè)化。

三、“元機器人”點燃范式轉變的開始

該研究獲得材料科學與機器人領域專家的高度認可。麻省理工學院教授趙選賀（Xuanhe Zhao，未參與研究）稱：“這項工作為折紙設計和應用開辟了令人興奮的新途徑，其模塊化手性設計的多功能性令人印象深刻。”

意大利特倫托大學教授戴維德·比戈尼（Davide Bigoni）認為，元機器人可能“推動軟體機器人、航空航天、能量吸收和自動熱調控領域的范式轉變”。

這項研究不僅展示了材料本身具備機器人功能的可能性，也為未來跨學科融合帶來了全新的想象空間。

來源：EurekAlert