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在自然界中，许多生物展现出了令人惊叹的多功能性。例如，章鱼能够在软体状态下灵活游动，又能在需要时迅速增加局部刚度以抓取猎物。这种同时改变形状和调节刚度的能力一直是机器人研究者追求的目标。然而，传统的软体机器人通常需要集成多个独立模块来实现这些功能，导致整体结构臃肿，控制系统复杂。
基于此，新加坡南洋理工大学的王一凡教授团队从穿山甲和鱼类等生物表面的鳞片结构中汲取灵感，开发出了一种名为“鳞片启发的层状结构”(Scale-Inspired Layered Structure，简称SAILS)，可以同时实现形态变化和刚度调节。这项创新技术的核心优势在于其仿生设计，借鉴了鳞片结构的独特的力学性质，实现了在单一结构中集成多种功能。通过设计的可编程表面图案，SAILS在未受力时保持柔软灵活，而在施加负压时可以变形为预设形状并同时增加刚度。相关成果以“Scale-Inspired Programmable Robotic Structures with Concurrent Shape Morphing and Stiffness Variation”为题发表在Science Robotics期刊上，第一作者为博士生陈天雨。博士生杨旭东、张博建以及博士后研究员李君威、潘杰为论文的共同作者。
图1：SAILS的生物启发、设计、制造和实验验证。
研究团队通过一系列实验，展示了SAILS技术的多项优异性能。在形态变化方面，SAILS成功实现了多种复杂的二维和三维形状变形，包括钩形、波浪形、螺旋形等可展曲面，以及穹顶形和鞍形等不可展曲面。在刚度调节范围上，最佳情况下刚度变化倍数可达53倍，超过许多现有的可变刚度系统。SAILS还展现出高达5赫兹的响应频率，优于许多基于渗透压或加热的可变刚度系统。此外，通过调节负压，研究人员能够精确控制结构的曲率和刚度。
视频1：通过SAILS实现可展及不可展曲面的变形
为了验证SAILS技术的实际应用潜力，研究人员展示了两个应用。首先是一款基于SAILS的两栖软体机器人，它显示出在复杂环境中的适应性和多功能性。这款机器人不仅能够实现爬行、游泳、爬坡等多种运动模式，还能够通过狭窄通道（最小8毫米高度）和越过障碍物。在负载能力方面，该机器人能够携带约两倍于自身重量的物体。值得一提的是，这款机器人在水中展现出卓越的运动效率，游动速度可达0.34个体长每秒。
图2：基于SAILS的软体两栖机器人：设计、控制与性能表征
视频2：软体机器人在地面爬行以及在水中游泳
另一个应用是无人机可变刚度着陆系统。这个系统展示了SAILS在动态环境中的适应能力。它能够根据不同的着陆高度调节刚度，有效保护无人机免受着陆冲击的损害。除了作为着陆缓冲装置，这个系统还能够作为抓取器使用，大大提升了无人机的多样化应用能力。同时，着陆系统搭载了独立的控制系统，可以根据实时情况自主调整着陆策略。
图3：基于SAILS的变刚度无人机着陆装置
视频3：无人机着陆装置在空中的部署过程
这项研究不仅推动了柔性机器人技术的发展，也为多个领域的未来应用提供了新的可能性。SAILS技术为下一代更智能、更灵活的机器人系统开辟了新的道路。我们期待在不久的将来，这种创新技术能够在实际应用中发挥重要作用，推动机器人技术向更高层次发展。
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adl0307
课题组简介：
新加坡南洋理工大学王一凡教授课题组长期致力于研究新型的3D打印技术以及功能化结构材料，并开发其在软体机器人领域和人体外骨骼领域的应用。王一凡教授于2020年至今担任新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor, 为该校授予杰出青年教授的职位）。王教授于2017-2020年在加州理工学院机械与土木工程系从事博士后研究，2011-2016年在芝加哥大学物理系获得物理学博士学位，2007-2011年于北京大学物理系获得物理学士学位。王教授已在领域内顶级期刊发表多篇重要文章，其中包括Nature、Physical Review Letters、Nature Materials、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Small、Extreme Mechanics Letters等。课题组长期招收软体机器人以及超材料相关的博士生，博士后，（请联系：Yifan Wang，yifan.wang@ntu.edu.sg）。离散结构化超材料以及其在软体机器人领域的应用的研究才刚刚开始，星辰大海是我们的征途，希望更多有志向的年轻人加入这个有趣的方向，一起书写新的篇章。
课题组主页：
https://www.yifanwangntu.com/
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