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近日，清華大學張一慧教授課題組在Nature Machine Intelligence上以研究論文形式線上發表了一篇題為“Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking”的研究成果。該課題組採用材料與結構協同設計的策略，提出了一種具有連續形狀變化和構型鎖定能力的薄膜形電熱響應驅動器的設計概念。課題組構建了一種受“搭積木”啟發的設計方法，可用於製備具備複雜重構能力的驅動器，如釐米級“變形金剛”。基於該薄膜形電熱響應驅動器，課題組設計製備了具有複雜變形重構能力的三維顯示器件、可在多種構型（如“跑車”、“飛車”和“貨車”）間切換的多功能微型輪式機器人，以及世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機器人（體長9 cm；質量25 g）。
形狀重構能力可賦予機器人豐富多樣的運動模式，極大提升機器人的環境適應能力。當前，這類機器人主要透過兩種方式來實現形態改變：一是採用舵機等機械結構精確重構；二是依靠智慧材料製成的、兼具變形和鎖定能力的變剛度驅動器。然而，減小電機尺寸與質量並實現其複雜變形能力頗具挑戰。現有驅動器在小尺度（如< 5 cm）下，難以同時實現連續的形狀變化與構型鎖定，也難以達成同源且解耦的變形與鎖定控制，嚴重製約了多模式機器人向微型化與無線化發展。
該課題組採用材料與結構協同設計的策略，透過結合具有較大熱致收縮變形能力的液晶彈性體（LCE）和呈現顯著變剛度特性（2-3個數量級）的形狀記憶聚合物（SMP），提出了一種具有連續形狀變化和構型鎖定能力的新型薄膜形電熱響應驅動器的設計概念（如圖1所示）。
圖1. 驅動器的連續變形和鎖定示意圖
如圖2a所示，該驅動器由LCE和SMP條帶、加熱電極層（Cu；2 μm）、薄PI層（25 μm）、PDMS層（125 μm）和厚PI層（250 μm）組成（圖2a）。PDMS層可提升薄PI層的柔順性，又使不可拉伸的PI層更趨近複合材料中性層，有效規避層間脫粘問題。剛度較大的厚PI層置於兩端，以保障驅動模組（LCE/Cu/PI/PDMS）與固形模組（SMP/Cu/PI/PDMS）的同步變形。LCE與SMP條帶之間的空氣間隙（air gap）確保驅動模組和固形模組間不存在熱串擾問題。對含LCE的驅動模組和含SMP的固形模組同時加熱時，驅動模組帶動變軟的固形模組進行彎曲變形，使驅動器變形至驅動狀態。隨後，斷開固形模組的驅動電壓，待SMP冷卻至玻璃化溫度（Tg）以下，固形模組剛度增大。此時，再斷開驅動模組的電壓，使其開始冷卻。在此過程中，由於驅動模組的驅動力（LCE的形狀恢復力）不足以克服固形模組的巨大剛度，因此驅動器的變形構型被鎖住，處於鎖定狀態。
圖2. (a) 驅動器的構成與變形原理；（b) 採用的LCE和SMP的熱響應特性
對於該驅動器，為了實現良好的變形與鎖定效果，需要進行材料和結構的協同最佳化設計。核心設計目標有兩個，一是進行LCE和SMP材料的溫度響應特性設計（圖2b）和空氣間隙尺寸設計，以實現較好的熱隔離；二是進行LCE和SMP條帶厚度的合理設計（圖3a），使驅動器具備較大的驅動變形效果和良好的形狀鎖定效果。該驅動器的最終變形角度可透過調節LCE條帶的預拉伸應變及控制LCE條帶的驅動電壓來實現有效調控（圖3b）。此外，該驅動器的變形響應速度也可以透過增大驅動電壓來進行提升（圖3c）。
圖3. (a) 驅動器的驅動狀態與鎖定狀態變形角度與SMP厚度的關係；（b) 驅動器最終變形角度與LCE預拉伸應變和其驅動電壓的關係；（c) 驅動器在不同電壓下的變形速度對比
利用LCE的驅動變形量隨溫度變化的特性，透過選擇性地調節LCE和SMP條帶的驅動電壓，可實現該驅動器的連續變形與鎖定。如圖4所示，驅動器從初始狀態開始，依次變形至鎖定狀態I、II、III、IV以及V（變形角度逐漸增大）。隨後，驅動器依次變形至鎖定狀態III和I，最後恢復初始平面構型。
圖4. 驅動器的連續變形與鎖定過程
相比於柔軟的驅動狀態，處於鎖定狀態下的驅動器（0.04 g）具有較高的承載能力，可穩定承載5 g砝碼的重量（圖5）。
圖5. 驅動器的變剛度特性
與基於其它驅動機制的變剛度驅動器相比，該驅動器具有極小的尺寸和最大的變形角度（4 mm-190°, 10 mm-340°, 22 mm-405°, 40 mm-630°, 50 mm-745°）。此外，在該尺寸範圍內，傳統電機等機械結構難以達到與本變剛度驅動器相當的變形幅度，且質量偏重，靈活性與適配性欠佳。
圖6.變剛度驅動器效能對比
透過設計LCE中的液晶分子取向以及驅動器的幾何構型（LCE圖案、加熱電極圖案等），可製備具有複雜變形模式的薄膜和塊體單胞，如圖7所示。五種典型的薄膜單胞S-B、S-BT、S-F、S-DB、S-DBT分別具有彎曲、彎曲和扭轉耦合、摺疊、雙向彎曲以及彎曲和雙向扭轉耦合變形模式；五種典型的塊體單胞B-A、B-T、B-Q、B-P、B-H可分別變形為圓弧、三角形、四邊形、五邊形和六邊形。
圖7.具有複雜重構能力的驅動器單胞。比例尺為5 mm
受樂高積木啟發，課題組提出了一種“搭積木”似的構建方法，可製備具有複雜重構能力的驅動器（圖8）。具體而言，首先將目標構型（即海龜）分解為具有特定幾何構型的單胞，即頭、腿、龜殼和尾巴，並將其轉化成單胞庫中存在的變形後三維驅動器構型，隨後逆向設計出相應的驅動器平面前驅體。將所得的驅動器前驅體進行裝配後，並對多個驅動器單胞進行選擇性的變形與鎖定控制，可實現其複雜變形效果。例如先進行龜殼的展開，再實現頭和尾巴的變形，即可獲得海龜的游泳姿態（構型I）；進一步驅動腿部的變形，可實現其它姿態下（構型II）的海龜構型。
圖8.海龜驅動器的設計與製備。比例尺為10 mm
圖9展示了一個能夠在汽車構型和機器人構型之間自由切換的釐米級“變形金剛”驅動器。
圖9. “變形金剛”驅動器的變形過程
該驅動器具有優異的變形和鎖定能力以及較強的承載特性，可作為可重構外骨骼，並與各種功能部件（如LED、感測器、電機等）整合，進而構建可重構器件系統。圖10展示了兩款具有強大變形重構能力的三維顯示器件，第一款器件模擬了花朵的變形過程；第二款器件則展示了從蝌蚪到青蛙的變態發育過程。
圖10. 可重構顯示器件
透過構建具有複雜變形模式的微型外骨骼，並整合微型電機等部件，課題組設計並製備了一款多功能微型輪式機器人（圖11a）。該機器人具有極小的尺寸和質量（狀態I：4 cm，2.5 g），且可在“跑車”、“飛車”和“貨車”等多種複雜構型間自由切換（圖11b）。
圖11. (a) 微型輪式機器人組成示意圖；（b) 機器人在多種構型間的變形重構。比例尺為10 mm
如圖12所示，機器人首先在高臺上由初始構型變形為“跑車”（構型I），並快速前進至懸崖邊緣。隨後，透過張開翅膀切換至“飛車”（構型II），機器人可進行滑翔以平穩落地。最後，機器人收回翅膀，開啟車廂，變形至“貨車”（構型III），並在裝載貨物後快速前進。此外，透過在該微型機器人車廂前部整合微型攝像頭，可實現對環境的有效探測（圖13）。
圖12. 微型輪式機器人的典型運動場景
圖13. 微型輪式機器人的環境探測
陸空兩棲機器人具有極強的環境適應能力，展現出了巨大的應用價值，然而其在微型化與高效能融合方面存在技術瓶頸。課題組基於所開發的薄膜形電熱驅動器，構建了兩類關鍵可重構部件（Actuator I和II）（圖14），進而設計製備了微型陸空兩棲機器人（體長9 cm；質量25 g）。其中，紅外遙控模組可以控制兩對驅動器的變形以及四個電機的獨立執行或停轉，以實現機器人在四種典型的工作狀態間的轉變（構型I-IV），進而完成地面模式（構型II和III）和空中模式（構型I和IV）之間的切換。
圖14. 機器人的構成及其在多種工作狀態間的切換。比例尺為3 cm
透過在多種工作狀態間的自由切換，該機器人可實現在複雜室內環境中的運動。圖15展示了一個典型的運動場景，機器人首先從構型I切換至構型II，進而穿越樹洞；隨後機器人完成從構型II到構型III的切換，平穩駛過傾角為35°的楔形槽，並行駛到停機坪上；最後，機器人從構型III切換至構型IV，飛過亂石堆。
圖15. 微型陸空兩棲機器人在室內複雜場景中的運動
機器人也可以實現在複雜戶外環境中的運動，圖16展示了三個典型的場景。在場景1中，機器人首先以構型I飛過石頭堆並在樹枝中穿行，隨後平穩降落；最後在地面上切換至構型II，進而在地面上行駛。在場景2中，機器人首先以構型II從石磚地面行駛到土路上，隨後切換至構型IV，並按照特定的軌跡飛過石頭堆。在場景3中，機器人首先以構型II在磚頭地面上前進，隨後切換至構型IV，以飛躍臺階。
圖16. 微型陸空兩棲機器人在室外複雜場景中的運動
在地面運動模式下，機器人在多種材質上（絨布、卡紙和草地）均具有較快的運動速度（圖17和圖18a）。此外，機器人的構型切換具有較低的能耗（圖18b），對於從構型I到構型II、構型II到構型III以及構型III到構型IV這三個典型的切換過程，能耗分別佔電池容量（3.7 V，220 mAh）的1.67%、1.33%和0.4%。與其它代表性陸空機器人相比（圖18c），該機器人具有最小的質量（25 g）、最小的絕對尺寸（9 cm × 9 cm）以及最快的地面運動速度（每秒18.2個身長）。
圖18. (a) 機器人的地面運動速度；（b) 機器人的變形能耗分析；（c) 與其他機器人的對比
綜上，本工作基於新穎的材料–結構協同設計理念以及受樂高積木啟發的設計策略，製備了幾何形狀可定製、具有連續變形和鎖定特性的小尺度驅動器，這是以往無法實現的。該驅動器可作為功能多樣的外骨骼，應用於小型變形機器的開發，如可重構三維顯示器件、多功能微型輪式機器人以及微型陸空兩棲機器人。其中，所研發的微型陸空兩棲機器人同時具備重量輕（25 g）、尺寸小（9 cm ×9 cm）、陸地移動速度快（每秒18.2個身長）以及對複雜非結構化環境強大的適應能力等特點，而這些特點的結合在以前是難以達成的。
清華大學張一慧教授為論文通訊作者，清華大學航天航空學院2020級博士生徐世威為論文第一作者。論文作者還包括還包括航天航空學院2021級博士生胡笑男、2024級博士生臧傳奇、2023級博士生羊佑舟、2022級博士生賴禹辰、2018級博士生鄔軍，航天航空學院博士後楊若曦、肖越、劉文博、龐文博、劉卿，柔電國重副研究員柏韌恆，清華大學機械工程系長聘副教授趙慧嬋，北京航空航天大學教授文力，以及北京航空航天大學博士生田博丞和李磊。該研究成果得到了國家傑出青年科學基金專案、科學探索獎、北京市自然科學基金、清華大學國強研究院基金等的資助。
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