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软机器人总给人“软塌塌”的印象——要么灵活到扛不起重物，要么坚硬到失去变通。近日，河海大学徐林森教授团队最近研究出了个“全能选手”：它学大象鼻子的灵活伸缩，抄穿山甲鳞片的变硬技巧，既能大范围伸缩，又能瞬间切换“硬核模式”，刚度比同类机器人高2倍多！

为什么要造这款机器人？——软机器人的“两难困境”

软机器人因为柔性好，常被用来做微创手术器械、康复手套，但一直有个痛点：“柔性”和“承重”不能两全。比如想让它灵活钻进狭窄空间，就得做软一点，但这样它就扛不起重物；想让它承重，就得加硬结构，又会变得“笨手笨脚”。

该研究从大自然里的生物中汲取灵感，比如大象鼻子能灵活卷木头，鱿鱼触手能快速抓猎物，穿山甲遇到危险鳞片会变硬，研制了一款叫“仿生线性变刚度机器人（LTSR）”，其核心设计全是来源于大自然的生物！

机器人的“生物老师”：两大自然灵感加持

灵感 1：学大象鼻子的“静水伸缩术”

大象鼻子、蚯蚓、鱿鱼触手这些生物，靠“静水骨骼”实现灵活运动，它们身体里的液体体积不变，肌肉收缩时，力通过液体传到全身，就能伸长、弯曲，还不影响承重。因此，该研究受此启发，把机器人的“驱动核心”做成了波纹管状的柔性部件。

用不可压缩的硅胶做“身体”，外面缠上凯夫拉纤维，限制它轴向膨胀；往里面充气时，流体的力会让波纹管顺着轴向伸长，不会往径向膨胀，就像大象鼻子一发力就变长，而不是变粗。

灵感 2：学穿山甲鳞片的“重叠变硬术”

穿山甲的鳞片是重叠排列的，平时灵活，遇到危险时鳞片收紧、互相卡住，瞬间变硬抗冲击。因此，该研究在机器人外层加了仿生重叠阻塞层。

把特制的薄膜像鳞片一样叠起来，装进密封壳里；若要让机器人变硬，可抽走壳里的空气（负压），挡板被压得紧紧的，摩擦力变大，就像鳞片卡住一样；若想变软，可放回空气，挡板能自由滑动，机器人又变得灵活起来。

两大技术：让软体机器人“又能伸，又能硬”。

该研究还在此基础上做了两项关键优化。

技术1：结构优化，伸长率翻2倍首先建立了运动学模型，实现硅胶的弹性、气体的驱动力之间的平衡，然后使用多目标优化算法调整参数，把波纹管的凸起长度缩短10%，凹槽长度增加23.5%；管壁变薄10.7%，内径扩大20.2%。优化后效果显著：在50 kPa压力下，机器人能伸长130.19 mm，是优化前的2倍多。而且理论计算、计算机模拟和实物实验的结果几乎一致，误差低于5%。  

技术2：仿生黏附材料，刚度提升3倍

普通的层间阻塞材料（比如PET、纸张）摩擦力不够，软体机器人变硬后仍然会负载不足。本文用仿生黏附材料做阻塞材料，这种材料表面有粗70 μm、高300 μm的小绒毛，类似壁虎脚的结构，靠分子间的范德华力增加摩擦力。测试发现：这种黏合剂在471.81 Pa压力下，摩擦系数能达到0.863，是普通片状材料的2~3倍；配置了仿生黏附材料的软体机器人（称为B-LTSR），最高刚度能到21.45 N/mm，是其他软体机器人的2倍多。且能在“软”和“硬”之间自由切换，调节范围比同类产品宽3倍。该研究做了3组关键实验，证明了机器人的“全能”。

(1) 伸长实验：用两个高清相机跟踪软体机器人顶端的标记点，测到50 kPa压力下伸长130.19 mm，和理论计算只差2 mm。

(2) 刚度实验：用压力传感器压软体机器人的端部发现，施加‒20 kPa负压时，刚度最高；撤掉负压，刚度立刻下降，切换超灵活。

(3) 响应速度实验：可最快0.32 s变硬，0.22 s变软。重复实验后，性能几乎不变，耐用性拉满。

这款软体机器人可用于如下场景：

(1) 微创手术：机器人能像“软吸管”一样钻进身体，碰到器官时变软不伤害组织，需要切割、缝合时变硬精准发力。

(2) 康复外骨骼：老人或中风患者戴的康复手套，走路时变软帮着活动，提东西时变硬承重，不累手。

(3) 水下探测：能抗住深海压力，伸长够到远处的生物，变硬抓住样本，不怕被水流冲歪。从大象鼻子到穿山甲鳞片，这款软体机器人把两种生物的特性结合到一起，解决了软体机器人“又软又硬”的难题。后续通过优化黏附材料的耐用性，相信未来在医院、工厂、深海等领域都能看到它的身影。

论文信息：

Wang Z H, Xu L S, Wang M M, et al. Biomimetic linear tunable stiffness robot: Design, structural optimization and stiffness enhancement. Sci China Tech Sci, 2026, 69: 1120301

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