大自然在“怎么走路”这件事上有着独到的智慧。动物能精准地协调四肢运动，并不完全依赖大脑的命令，而是通过神经系统、身体结构与环境之间的紧密协作（图1A）。这种“结构即控制”的理念启发了科学家开发出一种全新的软体机器人，它们靠自己的“身体构造”就能完成复杂运动，甚至不需要中央处理器来控制。

软管不稳定案例

受此启发，荷兰原子和分子物理学研究所的Johannes T. B. Overvelde教授课题组开发了一种创新的自主运动系统，通过巧妙设计的自振荡肢体与环境互动实现高效运动。这种系统完全摆脱了传统电子控制，每个肢体仅由软管构成，在恒定气流驱动下就能以高达300赫兹的频率自主完成踏步动作。当多个这样的肢体协同工作时，其运动速度比现有最先进的机器人快几个数量级，是迄今为止最快的软机器人之一，也是最简单的软机器人之一。特别值得一提的是，这些看似简单的装置通过物理交互展现出令人惊讶的智能行为：不仅能自主避开障碍物，还能在水陆环境间自如切换步态，甚至表现出趋光性。这种基于物理智能的设计理念，为开发新一代高效能自主机器人开辟了新途径。相关成果以“Physical synchronization of soft self-oscillating limbs for fast and autonomous locomotion”为题发表在《Science》上。

自振荡的肢体

为了让机器人无需中央处理器也能快速移动，研究人员设计了一种会自己“跳舞”的软体肢体，灵感来自喷水软管的自然振荡和路边常见的“充气跳舞人”（图1C）。研究人员用一根普通硅胶软管，简单对折并固定在3D打印支架中（图1C），制成了一个会自动“抖动”的肢体。在没有气流时，软管可稳定保持一种或两种弯折状态（图1C、1D）；但当注入恒定气流后，这根软管会在两种弯折状态之间高速切换，每秒摆动频率达100次（图1E）。这种振动呈现出动物四肢那样的“踩地-抬脚”周期性动作（图1L），且整个过程无需任何控制电路，只靠结构和气流本身完成。

图1：自振荡的四肢，周期性地执行全步骤运动

视频1.自振荡现象。

通过追踪软管在每个振荡周期中的折点变化，研究团队发现了四个关键阶段：双折点共存、折点转变、单折点移动、新折点生成（图2E–2H）。这一系列变化的根源是管内气压与折点形成阻力之间的反馈回路。不断变化的压力驱动折点移动，而折点形状又反过来影响气流，形成一个自我维持的振荡机制。这种机制可以通过调节进气量来控制频率，甚至在某些条件下产生结构共振，进一步提升速度（图2I–2L）。这种共振效应为未来通过结构设计进一步提高运动效率提供了可能。

图2：压力和扭结状态之间的相互作用可以在一系列频率下进行自振荡

多肢的显式内部耦合超实现超快运动

要让机器人真的“动起来”，还需要让多个软肢协同配合。研究人员通过改变软肢之间连接管的长度，成功实现了两种步态：短连接管让肢体同步运动（图3B），长连接管则让它们交替前进（图3D）。利用这一原理，他们制作了一个四肢软体机器人，在28升/分钟的气流驱动下，机器人能以每秒1.1米的速度快速奔跑，甚至呈现出类似瞪羚的跳跃式步态（图3L）。而这一切都不依赖电路控制，仅靠软肢之间的物理耦合完成。

图3：通过显式内部耦合实现多个肢体的同步，以实现超快的运动

实现超快的运动

隐式环境耦合，实现快速自主运动

尽管此前的机器人能高速奔跑，但仍依赖外接气源，耗能高达85瓦，移动成本也很高，难以真正实现无线自主运行。为了解决这个问题，研究人员重新设计了软肢结构：用热封TPU薄膜制作出“充气袋”式软肢（图4A），大幅提高折点阻力，从而降低所需气流，仅需0.1升/分钟即可运行（图4B）。最终，他们打造出一款真正的无线软体机器人，仅靠两个微型气泵和电池驱动，总重不到77克（图4C），可稳定以每秒18厘米的速度前进（约自身长度的两倍），远超大多数无线软体机器人，能效也与小型哺乳动物如老鼠相当。更有趣的是，机器人并未通过电路连接协调四肢，而是在接触地面后，通过与环境的互动实现了自发的同步运动，无论是在光滑地面还是砂石表面，都能保持节奏一致（图4F、4G），展现出结构与环境自然耦合的高度适应能力。

图 4.通过隐式交互实现肢体同步，实现快速、不受束缚的运动

更神奇的是，机器人还能根据环境变化自动改变运动模式。在陆地上，它的四肢同步运动；一旦进入水中，由于水的阻力导致身体晃动，它会自然切换成交替步态（图5A–5B）。甚至在遇到障碍物时，它会因局部受力差异而暂时打乱节奏，自动调整方向逃脱困境（图5C）。为了赋予机器人基本的方向感，研究人员借鉴“布雷滕伯格车辆”的理念，在机器人上加装了两个光敏电阻“眼睛”（图5D）。当左侧探测到光，就激活右腿；右侧探测光则激活左腿；两侧同时探光则前进。这使得机器人具备了基本的“趋光性”——它可以自动从暗室走向明亮区域，甚至追随人手中的光源前进（图5E）。

图 5.通过与环境的物理交互实现自主性

小结

本研究展示了一种全新的机器人设计路径：通过身体结构和环境互动，模糊传统的“驱动-控制-感知”边界，让运动、决策和反馈融为一体。这种方式不仅简化了系统，也展现出惊人的速度、效率与环境适应能力。未来，这类“高度耦合、结构驱动”的设计理念，可能会成为软体机器人发展的新方向。

来源：高分子科学前沿

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