尊龙 Science | 这群小机器东说念主能“融解”变形, 撑起700N重物, 灵感竟来自胚胎发育

论文信息

英文题目：Material-like robotic collectives with spatiotemporal control of strength and shape

华文题目： 具有强度和阵势时空限度的类材料机器东说念主集群

作家单元： 好意思国加州大学圣塔芭芭拉分校、德国德累斯顿工业大学

期刊：Science（IF 45.8中科院一区，JCR一区）

发表时辰：2025年2月21日

相接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7942

引文要领：Devlin M R， Kim S， Campas O， et al. Material-like robotic collectives with spatiotemporal control of strength and shape[J]. Science， 2025， 387(6736): 880-885.

01 全文速览

若是有一堆小机器东说念主，往往像固体同样坚毅，能撑起重物；需要变形时又能像流体同样“融解”，流动成猖狂阵势，然后再变回固体——这听起来像是科幻片里的情节。

加州大学圣塔芭芭拉分校和德累斯顿工业大学的征询团队从胚胎发育中找到了灵感，简直把这变成了实践。他们发现，胚胎组织之是以能一边保合手强度一边重塑阵势，靠的是细胞之间精妙的拓扑重排。他们把这一机制“编码”进一个个小机器东说念主里，让它们组成的集群或者像活体组织同样，在固态和流态之间目田切换。

这个机器东说念主集群的单个单元重约1.3牛（约130克），但通盘这个词集群能撑起700牛顿的重物——极端于一个成年东说念主站上去。需要变形时，只需要改变单元间的互相作用劲，集群就能局部“液化”，流动成新阵势，以致能像伤口愈条约样填补缺损，或者像变形金刚同样把我方变成一把“扳手”去旋转物体。

中枢亮点：

- 刚柔切换：从固态到流态，可在集群内猖狂位置、猖狂时辰限度

- 强度惊东说念主：撑合手700牛顿（约70公斤），是单机分量的500多倍

- 自建树：移除部分单元后，集群能流动填补困难

- 可变形：能主动拉长、鬈曲，酿成拱形等结构

- 器具化：能“融解”后包裹物体，凝固后变成扳手旋转物体

02 征询本色

🧬 灵感起头：胚胎组织如何既强又柔？

图1A-B展示了胚胎发育中的两个要道机制。左边是汇聚延迟（convergent extension）：细胞在特定方朝上极化，通过定向重排让组织在一个方朝上变窄，垂直方朝上拉长。右边是组织液化（tissue fluidization）：细胞通过主动的力波动，让蓝本固态的组织暂时变得像液体同样，不错重塑阵势。

这两个机制的中枢皆是细胞间的拓扑重排——也便是T1转念（图1A中画的四细胞重排）。细胞不改变体积，只改变邻居关系，就能让通盘这个词组织变形。

图 1. 将要道细胞活动编码到机器东说念主鸠蚁合。(A) 胚胎组织通过汇注延迟来伸长，这波及组织中细胞沿特定标的的极化，从而或者互助细胞之间的主动应力，从而导致特定空间方朝上的优先细胞重排（T1 调遣）。 (B) 波动的活跃细胞应激不错通过主动引起细胞重排（T1 转念）来开动胚胎发生历程中的组织流化，从而在现象发生历程中达成组织重塑。 (C) 限度胚胎组织中细胞之间机械互相作用的要道细胞历程（单元间力产生、极化和粘附）的草图。这些细胞历程中的每一个皆被编码到机器东说念主单元中：关于单元间的力产生，肌动球卵白复合物被映射到生动齿轮；关于偏振，化学感受器被映射到带有偏振滤光片的光电二极管；为了粘附，钙粘卵白被映射到滚动磁体。机器东说念主单元使用与生物学正交的极性标的商定。 (D) 两个机器东说念主单元的像片，顶视图（左）和等距视图（右）。炫耀了电动齿轮的旋转标的，以及施加到相邻单元的净力。比例尺：5 厘米。

🤖 从细胞到机器东说念主：三大中枢功能

图1C把细胞的要道功能映射到了机器东说念主上：

- 力产生：细胞用肌球卵白复合体产生张力，机器东说念主用电机开动的齿轮在战斗面产生切向力（图1C上）。每个单元周围有8个齿轮，只消部分齿炫耀，与邻居的齿轮啮合，不错产生可控的切向力。

- 极化：细胞接受化学信号细主张的，机器东说念主用光电二极管+偏振片感知全局偏振光，从而细目我方的“极性”标的（图1C中）。

- 黏附：细胞用钙黏卵白互相黏附，机器东说念主用可滚动的磁铁达成标的无关的黏附（图1C下）。磁铁是径向磁化的，不错在小腔里目田滚动，非论机器东说念主单元相对标的如何，皆能产生吸力。

图1D是什物像片，每个单元直径约10厘米，周围一圈齿轮涌现可见。

Movie S1：仿真中单元间互相作用劲展示

视频S1展示了仿真中单元间的互相作用劲如何产生和传递，为吞并后续实验打下基础。

🧪 基本单元实验：4单元和3单元

图2A界说了两个要道参数：平均力

和力波动幅度

。

图2B-C是4单元系统的T1转念实验。当平均力卓绝阈值，或者波动幅度卓绝阈值时，四个单元会沿着极化标的发生重排。图2D是实验和仿真遵循的对比，炫耀平均力和波动幅度不错协同作用——波动越大，需要的平均力越小。

Movie S2：4单元T1转念实验

视频S2不错直不雅看到四个单元在力作用下发生的拓扑重排历程。

图2E-H是3单元系统的屈服实验。在莫得里面力的时候，3单元系统能叛逆142牛的外力才被拉开（图2F）。激活里面力后，屈服强度着落（图2G）。图2H展示了平均力和波动幅度对屈服强度的聚集影响——高平均力+高波动，屈服强度最低。

Movie S3：3单元屈服实验

视频S3展示了三个单元在外力作用下的屈服历程。

图2I-J是功耗对比。有真理的是，引入力波动后，开动重排所需的平均功率显赫镌汰。这表现波动匡助系统越过能量壁垒，让重排更省力。

图 2：从头胪列使机器东说念主集体的基本“构件”的阵势和强度发生变化。 (A) 单元间切向力散布有两个要道参数：平均值 (F) 和波动幅度 (ΔF)。 (B) 极化 4 块的 T1 跃迁。 (C) 4 块中的 T1 转化概率当作左侧的单元间力 F（关于低波动幅度 ΔF）和右侧的力波动幅度ΔF（关于低单元间力 F）的函数。 F 和 DF 长期表率化为全领域。 (D) 实验测量（左）和计较（右）针对不同 F 和 ΔF 的 T1 转化概率。每个点：N = 10 次正经。 (E) 由于波动的单元间力镌汰了屈服强度，在外部施加的载荷下非极化 3 块屈服。 (F) 在莫得单元间力的 3 块中屈服需要 142 N 的外部载荷。 (G) 临界力，表率化为最大值，当作增多单元间力（左）和波动幅度（右）的函数。 (H) 实验（左）和模拟（右）中的临界力当作单元间力 F 和波动幅度ΔF 的函数。 N = 10 次正经。(I) 在高波动情况下，开动 T1 调遣所需的功率理解镌汰（N = 10 次正经，P

🏗️ 彭胀到多单元集群

图3A展示了极化后的集群（19个什物单元，217个仿真单元）沿着极化标的拉长，就像胚胎组织的汇聚延迟。

图3B展示了空间限度才气：只让集群上半部分激活波动和力，遵循只消上半部分拉长，下半部分保合手不动。

图3C-F量化了重排次数和长宽比的变化。波动幅度越大，重排次数越多，长宽比变化越快。

图3G-H是屈服实验：莫得波动时，集群能叛逆外力不变形；激活波动后，集群被外力压扁。而且不错只让局部区域激活波动，达成局部液化（图3H）。

Movie S4：多单元集群拉长和屈服实验

视频S4展示了多单元集群在极化力作用下的拉长历程，以及在外力作用下的屈服活动。

Movie S5：改变极化标的后集群从头定向

视频S5展示了在拉长历程中改变全局极化标的后，集群如何从头定向并链接沿新标的拉长。

图3I是应力-应变弧线：莫得波动时，集群像脆性固体，强度高（每单元90牛）；激活波动后，变成屈服应力材料，DragonGame强度降到每单元6牛。图3J炫耀，屈服应力随波动幅度增大而单调着落，可调控领域接近一个数目级。

图 3.从基本构建块到机器东说念主集体：将阵势和强度限度彭胀到多单元集体。 (A) 机器东说念主和模拟集体在极化方朝上伸长。圆角方形图标暗意波动开启。机器东说念主：19台，F=0:86；ΔF=1。模拟：217 个单元，F=1； ΔF=1。通盘这个词图中通盘 F 和ΔF均归一化为全领域。 (B) 伸长仅在波能源开启时发生。实验：（左）F=0； ΔF=0； （右）FΔ0:57； ΔF=0:5。模拟：（左）F=1； ΔF=0； （右）F=1；ΔF=1。(C) 单元之间的关系收集图。 (D) 长宽比径直取决于单元从头胪列。 N = 3 次正经。 (E) 重排的数目跟着波动幅度的增多而增多。 N = 3 次正经。 (F) 跟着波动幅度的增多，纵横比变化得更快。 N = 3 次正经。 (G) 力波动的引入（右）镌汰了屈服强度，何况载荷使集体变形。实验：（左）F =0；ΔF=0； （右）F=1； ΔF=1。模拟：（左）F=0；ΔF=0； （右）F 1/4 1； DF 1/4 1。 (H) 某一区域的力波动仅会镌汰该区域的屈服强度。实验：（左）F =0； DF=0； （右）F =1； ΔF=1。模拟：（左）F=0； ΔF=0； （右）F=1； ΔF=1. (I) 20 单元机器东说念主集体的应力-应变关系。当波动关闭时，强度（每单元 90 N）和刚度（每单元每米 20，190 N）很高。当通达时，强度着落至每单元 6 N，何况发生屈服。 N = 3 次正经。 (J) 屈服应力跟着波动幅度的增多而减小。 N = 3 次正经。比例尺：10 厘米。暗影[(D)和(F)]和罪戾线[(E)和(J)]代表一个表率罪戾。

🎭 功能演示：从变形到器具

图4A是结组成型：集群先液化，重塑成两个柱状，然后柱顶合拢酿成拱形，再凝固，终末能撑起重物。

图4B是自建树：从集群中移除一块单元，然后在缺损区域激活波动，周围的单元流入填补困难，凝固后结构收复。

图4C是物体操控：集群局部液化，流动起来对一个小物体施加力，把它推到方针位置。

图4D是器具酿成：集群液化后包裹住一个六角形物体，然后凝固，变成一把“扳手”，旋转物体。

图4E是合乎性撑合手：集群固态时能撑起一个东说念主（700牛，视频里可能是个小模子），然后“融解”，在自满下游动摊平。

图 4.“机器东说念主材料”活动的演示。 (A) 结构酿成：集体不错流动，将自己重塑为拱形，然后从头凝固以用新酿成的结构撑合手负载。 (B) 诊治：当集体的一个区域被移除时，它不错阅历刚性转念，局部流化集体，流动以填补空缺。 (C) 主宰：集体内受控的局部流动不错迁徙物体。在这里，集体对物体施加力，将其引向方针。 (D) 器具酿成：集体不错流动，围绕物体流动，然后硬化并充任“扳手”来旋转物体。 (E) 合乎性支合手：一个集体不错保合手充足精深以撑合手一个东说念主（>700 N），然后在集体自己的分量下游动。比例尺：10 厘米。

Movie S6：功能演示书籍（结组成型、建树、操控、器具、撑合手）

视频S6包含了上述通盘功能演示的完好历程，不错更直不雅地看到集群如何变形、建树、操控物体和承重。

03 更动点

① 把生物学机制“编码”进机器东说念主集群

之前有好多机器东说念主集群能作念阵势变化，但大多只可在外围重排，里面单元动不了。这个使命径直模仿胚胎发育的细胞活动——T1转念、极化、力波动——让集群能在里面发生拓扑重排，达成确凿的体变形。

② 切向力开动+齿轮打算

大大批集群机器东说念主靠推大地或者滚动来迁徙，但要在紧密堆积的集群里面产生相对通顺，需要切向力。他们用电机开动齿轮，在战斗面径直产生可控切向力，这个打算很深奥。只消部分齿炫耀，保证了齿轮只与邻居啮合，不会干豫更远的单元。

③ 力波动的引入和限度

把力波动当作限度参数，这个想法很有真理。频繁咱们追求精准限度，脑怒噪声。但他们发现，引入可控的波动不错匡助系统越过能量壁垒，镌汰重排所需的平均力，从而镌汰功耗（图2I-J）。这为打算节能的变形系统提供了新念念路。

④ 空间+时辰的寂然限度

通过全局偏振光限度极化标的，通过局部开关波动限度液化区域，达成了在集群内猖狂位置、猖狂时辰寂然限度固态/流态切换。图3B和3H很直不雅地展示了这种空间选拔性。

⑤ 定量化的力学表征

他们不是只作念演示，而是系统地测量了屈服强度、应力-应变关系、功耗等要道力学量。图3I-J的弧线很明晰地展示了从固态到流态的转念，以及波动幅度对强度的定量影响。这为后续的表面建模和工程诓骗提供了数据基础。

04 记忆与瞻望

这个使命最让东说念主印象深远的是认识的完好性。从生物学不雅察（胚胎组织的T1转念）到概括出三个要道机制（力、极化、黏附），再到把这些机制物理达成到机器东说念主上，终末用实验考据了从基本单元到多单元集群再到功能演示的通盘这个词链条。每一步皆作念得塌实，莫得跳步。

从工程角度看，这为“可编程物资”提供了一个很具象的达成旅途。咫尺的单元还相比大（~10厘米），但旨趣上不错袖珍化。若是能把单元作念到毫米以致微米级，再结合更复杂的限度算法，将来可能会出现确凿的“智能材料”——往往是结构材料，需要时能变形、自建树、以致对外界刺激作出反馈。

将来征询将聚焦于以下几个标的：

🔸 限度化与袖珍化：咫尺的系统只消20个单元，仿真作念到了几百个。要把单元作念到更小、更多，需要在电机、电板、限度电路上作念集成。MEMS技能可能是个标的。

🔸 更复杂的限度算法：咫尺用全局偏振光限度极化标的，用局部开关限度波动。若是引入更细密的反馈限度，比如每个单元能感知邻居的情景并自合乎调整力，可能会涌现出更复杂的集体活动。

🔸 能源自主化：咫尺的机器东说念主依然外接电源。要达成确凿的自主，需要把电板和限度电路集成到单元里面，同期还要保证体积和分量可控。

🔸 环境合乎才气：若是能感知外部载荷并自动调整强度和阵势，比如撑合手物歪斜时集群自动调整阵势保合手均衡，会更接近“智能材料”的愿景。

🔸 多圭臬建模：从单个单元的能源学到几百个单元的集体活动，中间跳动了好几个圭臬。发展能团结微不雅互相作用和宏不雅力学的多圭臬模子，有助于吞并和预测这类系统的活动。

🔸 与生物系统更深度的互动：既然灵感来自生物，反过来也不错用这个平台来考据生物学的假说。比如胚胎组织中力波动的作用、T1转念的能量学等问题，不错用这个机器东说念主平台作念物理模拟，为生物学家提供新的实验技能。

从一个想法到一堆能变形、承重、自建树的小机器东说念主，这条路走得挺远。下一步，是让它们变得更小、更贤达、更能合乎环境。

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