【儀表網 研發快訊】近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授王宏強團隊在人形機器人與仿生機器人領域取得重要突破，成功研發出一種基于氣動膨脹結構與多維穩定機制的新型仿骨變形柔性機構。該機構在重量僅350克的情況下，可實現高達315%的可伸展性，并具備優異的承載能力、結構穩定性與柔順性。基于此創新機構，團隊進一步研制出首款輕質軟體人形機器人“GrowHR”，其高度達1.36米，重量僅為4.5公斤，不足傳統同尺寸剛性機器人重量的20%。
這項突破性研究為解決機器人安全性與環境適應性難題提供了全新的技術路徑，有望推動機器人從工業場景走向日常生活，像科幻電影中的“大白”一樣成為人類安全可靠的伙伴。
靈感源于人體骨骼，實現剛柔并濟可變形結構
據預測，未來每個家庭將有一個機器人幫助人類完成各種繁雜的任務，可能每個人都會有一個機器人與之朝夕相伴。然而目前的機器人仍然難以廣泛應用，其中一個方面的原因在于其質量太大，結構太剛硬，容易撞到人或者周圍的環境，造成人身和財產風險，機器人也容易被撞壞。而且人類各種的復雜的環境，機器人本身也難以適應。盡管在科幻電影里“大白”機器人很好的解決了類似的問題，但是在現實生活中如何實現成為過去幾十年科學家一直在苦苦尋找解決方案的問題。
王宏強教授團隊從人體骨骼的“剛柔并濟”特性中獲得靈感，提出并實現了仿骨變形柔性機構(圖1)。人體骨骼既堅固又能通過關節實現靈活運動，甚至在受到沖擊時能通過微小形變吸收能量，通過氣動膨脹結構與多維穩定機制的協同設計，通過模擬了骨骼的變形與承載特性，該團隊創造出一種既輕便又強韌的新型機構。
“GrowHR”：變形自如的多場景機器人
基于仿骨變形柔性機構，團隊成功研制出名為“GrowHR”的軟體人形機器人。GrowHR不僅外形仿人，功能上更是“超人”，具備傳統人形機器人機器人難以企及的變形能力與環境適應性：
動態形態自適應： GrowHR能夠根據環境需要自主調整體型，在狹窄或受限空間中顯著收縮體積。實驗演示中，它可通過變形穿過高度僅為原身高36%的矮洞，通過收縮肚子擠過寬度僅為原身寬61%的狹縫，顯著提升了其在復雜地形中的通行性與環境適應能力。
多模態運動能力：得益于腿骨的伸縮功能，GrowHR不僅能像傳統人形機器人那樣行走，還可像蟲子一樣蠕動爬行(圖2(c))，進入極小的洞穴空間。同時，其整體密度僅為水的5.8%，具備卓越的水上性能——可在水中負載自身重量16倍的物體，實現漂浮、游泳，甚至借助腳蹼和質量塊實現輕工“水上漂”。從而大大拓寬了人形機器人的應用場景，不光可以用于工廠和家庭，還可以用于水上救援、水面清理等任務。
輕質可空投：由于整體質量輕(4.5公斤)，借助涵道風扇或者無人機，GrowHR甚至可以“上天”，從而可以進行上千公里的遠距離投放作業。
本征安全設計，適合人機共處環境
安全性是GrowHR的另一大突破。傳統機器人由于質量大、結構剛硬，在意外碰撞中可能對人或環境造成傷害。GrowHR的骨骼本身具有柔性且質量輕，從而使得整體機器人具有了更好的安全性。例如其倒地撞擊力僅為同等重量下的剛性機器人的1/1.7，而且其重量足夠輕，甚至可以被一個6歲小孩舉起，并可安全地進行各類互動，因此對于與之可能朝夕相處的人類來說，這種機器人是本征安全的。
“我們的目標不僅是創造功能強大的機器人，更是確保它能安全地與人類共同生活和工作，”團隊成員表示，“GrowHR的本征安全特性使其非常適合未來家庭、醫療、教育等近距離人機交互場景。”
拓展人形機器人的未來應用場景
這項研究極大地拓寬了人形機器人的應用可能性。傳統人形機器人多局限于結構化環境，而GrowHR憑借其變形能力與多模態運動特性，可適應從室內家居到野外救援，從水面清理到空中投放的多樣化場景。
想象一下，未來每個家庭可能都有一個這樣的機器人助手，它可以在狹窄空間幫您尋找物品，在緊急情況下穿越障礙進行救援，甚至在水災時執行水面搜救任務。它的輕質安全特性讓人類可以放心與之相處。
該研究為更安全、更多功能的未來人形機器人的實現和走入我們的生活，提供了一種全新的有效的解決思路。南科大團隊將繼續致力于創新機器人技術，為構建更安全、更智能、更融合的人機共處未來貢獻力量。
這項研究成果已發表于國際頂級期刊Science Advances，標題為“Bioinspired Growable Humanoid Robot with Bone-Mimetic Linkages for Versatile Mobility”。南方科技大學機械與能源工程系博士生劉豪為論文第一作者，楊炎達、王婷、尹金濤為論文共同作者，王宏強教授為論文唯一通訊作者。南科大為論文第一單位。該項目由國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、廣東省科研支持計劃等資助。
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