机器人前瞻（公众号：robot_pro）
编译 江宇
编辑 漠影
机器人前瞻4月24日消息，普林斯顿大学工程学院开发出一种突破性材料，称为“元机器人”（metabot）。这种材料无需电机或内部齿轮，就能通过外部磁场控制实现扩展、变形、移动等复杂行为，是一种将材料和机器人功能合二为一的机械超材料。
据2025年4月23日《自然》杂志发表的同行评审论文，这一成果结合折纸艺术与电磁控制技术，展现其在软体机器人、医疗、热调控和光学领域的广阔应用潜力。
一、手性折纸驱动的超材料技术
元机器人是一种超材料，其独特性能源于物理结构而非化学成分。研究团队受折纸艺术中的“Kresling图案”启发，设计出由简单塑料和定制磁性复合材料构成的模块化单元。
这些单元呈手性（镜像对称）排列，通过底部连接形成长圆柱体，每个单元可独立响应精确设计的磁场，产生扭转、压缩或展开等动作。
研究负责人、普林斯顿大学工程学教授格劳西奥·保利诺（Glaucio Paulino）表示：“这种材料可在材料与机器人间自由转换，完全通过外部磁场控制，无需内置电机或齿轮。”
团队通过电磁场同时传递能量和信号，实现了复杂行为的精准控制。电气与计算机工程学副教授陈敏杰（Minjie Chen）强调，磁场驱动使元机器人能够瞬时、精确地传递扭矩，触发复杂运动。
例如，材料在顺时针扭转时坍缩，逆时针扭转时展开，并能通过扭转顺序模拟“迟滞”现象，即材料变形不仅取决于当前扭转方向，还受此前扭转历史影响。比如先顺时针再逆时针时，恢复原状所需的扭转幅度可能更大。
这种非对称行为为工程、物理和经济学中复杂系统的建模提供了全新物理模拟方法。研究还展示了微型原型，利用激光光刻技术制造出高度仅100微米的元机器人，略厚于人类头发，验证了技术的可行性。
二、从微型元机器人到热调节器的场景探索
元机器人的多功能性使其在多个领域展现出巨大潜力。
首先，在医疗领域，微型元机器人可用于体内药物精准递送或协助外科医生修复受损骨骼和组织。研究团队在普林斯顿材料研究所通过实验验证了其微米级精度的可控性，未来有望应用于微创手术。
其次，在热调控方面，元机器人通过在吸光黑色表面与反射表面间切换，实现温度调节。实验显示，在强阳光下，材料表面温度可在27℃至70℃间自由调节，适用于智能建筑或航天器热管理。
此外，元机器人还可用于光学和通信领域，例如制造可调天线或处理光波长的透镜设备。研究还探索了其在逻辑模拟中的潜力，通过物理结构模拟计算机中晶体管的逻辑门行为，为复杂非交换状态的物理建模提供了可能。
然而，实际应用仍面临挑战，包括大规模制造、长期稳定性和复杂环境适应性。团队表示，当前研究为早期阶段，需进一步优化材料设计和控制系统以实现商业化。
三、“元机器人”点燃范式转变的开始
该研究获得材料科学与机器人领域专家的高度认可。麻省理工学院教授赵选贺（Xuanhe Zhao，未参与研究）称：“这项工作为折纸设计和应用开辟了令人兴奋的新途径，其模块化手性设计的多功能性令人印象深刻。”
意大利特伦托大学教授戴维德·比戈尼（Davide Bigoni）认为，元机器人可能“推动软体机器人、航空航天、能量吸收和自动热调控领域的范式转变”。
这项研究不仅展示了材料本身具备机器人功能的可能性，也为未来跨学科融合带来了全新的想象空间。
来源：EurekAlert
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