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北航新闻网3月28日电 近日，能源与动力工程学院的研二学生车竞羽（漆明净教授团队）以第一作者身份在《Nature Communications》上发表题为《Arc-Heating Actuated Active-Morphing Insect Robots》的研究论文，介绍了一种具有主动变形和自我恢复能力的超快速昆虫机器人。机器人体长5mm，仅重10mg，与自然界中的昆虫处于同一量级，其移动速度和环境适应能力均可与真实昆虫相媲美。这款机器人能够根据环境变化或突发情况主动调整形态，展现出极强的适应性。在承受一个成年人的踩踏后，该机器人仍能迅速恢复移动功能。尤为引人注目的是，它不仅可以在2.2s内主动压缩身体并穿越门缝、石缝等狭小空间，还具备水面行走的能力。

昆虫机器人在探测、救援、侦查等领域展现出极大的应用潜力，其微型化设计使其能够进入人类难以到达的区域执行任务。然而，在追求更小、更轻、更灵活的过程中，由于材料、工艺和驱动技术的限制，昆虫机器人难以完全媲美自然界昆虫的运动能力。车竞羽观察到，昆虫非凡的运动能力部分源于其能够根据外部环境改变自身形态的特性，例如蟑螂能压缩胸腔及腿部结构以穿入狭小缝隙，沙丘蜘蛛则能在遇到捕食者追击时蜷缩成球形迅速滚下沙丘。由此，他们想到若将这一特性应用于昆虫机器人设计，使其拥有主动改变形状的能力，将有助于机器人更好地适应各种复杂环境并应对突发情况。

弧热驱动是一种新兴的驱动方式，由漆明净教授团队研发，弧热驱动器具有活塞结构，通过施加高压电击穿空气产生电弧，随后空气受热膨胀推动活塞向外做功，输出直线型驱动力。这种驱动方式的独特之处在于，其驱动输出仅依赖于空腔内空气受热膨胀产生的压力。因此，只要确保活塞能够顺利进行往复运动，活塞的具体形状对驱动性能影响甚微。这一特性为机器人实现变形提供了基础条件。其次，电弧的热效应使驱动器的工作温度可达近300摄氏度。研究团队巧妙地利用这一高温特性，将弧热驱动器与形状记忆合金丝结合，开发出一种变形与驱动的耦合机制：在驱动器工作时，高温不仅驱使形状记忆合金连带驱动器向预设形状变形，同时驱动器自身输出直线型驱动力。同理，如果受到外力破坏而发生不规则形变，驱动器工作后也能快速恢复原有形状。

研究团队在弧热驱动器的基础上成功开发出了一种快速运动的爬行机器人。该机器人重量仅为10毫克，体长5毫米，具备83.4体长/秒的运动速度，目前是昆虫尺寸下速度最快的昆虫机器人。得益于变形与驱动的耦合机制，该机器人可以主动变形以适应不同的环境：它能够变扁以穿越狭小缝隙，并能展开浮力板实现从陆地爬行到水面游泳的模式切换。同时，该机器人展现出令人惊叹的抗压能力，能够承受超过自身重量500万倍的外力压迫（相当于一个成年人的踩踏），且在恢复后仍能保持与受损前的基本相当的运动速度。

基于其类爆炸式的驱动特性，弧热驱动器在相同体积条件下具有更高的功率和频率输出。这一特性赋予了机器人丰富的运动能力，包括爬坡、载重（可达27倍自重）、多平面运动以及越障能力。值得一提的是，驱动力的冗余设计使得机器人即使在遭受针扎导致的贯穿伤害后，仍能保持高效的运动能力，充分体现了其卓越的稳定性和适应性。可以遇见的是，这款机器人在地质勘探和灾难救援等领域潜力巨大：日常储存或运输时，它能被压平堆叠，无需复杂防护；需要执行任务时，仅需数秒即可恢复功能形态。面对地质裂缝或水域等复杂地形，机器人可直接穿越狭窄缝隙或涉水前行，无需绕道而行。更令人期待的是，通过训练形状记忆合金（SMA）线的形态，它还能快速适应全新场景需求——无论是灾后废墟中的坍塌缝隙，还是工业检测中的复杂结构，这款"变形小能手"都将成为突破环境限制的智能先锋！

本文的第一作者车竞羽，为能动学院空天智能电推进技术2019级本科生，现为动力学院电推进系研二学生。作为"吴班奖学金"获得者，车竞羽在本科阶段即通过"科研课堂"项目接触前沿研究，其科研能力在暑期科研、课程设计、毕业设计等贯通式培养体系中获得快速提升。保研后，她依托课题组"自由探索、专注基础创新"的科研生态，在无横向课题压力的学术环境中潜心钻研昆虫机器人领域。得益于师兄杨翔宇的传帮带体系以及运睿德（曾获好用的足球竞彩app市优秀毕业生等荣誉）前期奠定的研究基础，该生在研究生入学两年内便完成从科研新人到nature子刊论文一作的跨越。漆明净教授团队在这种科研氛围的支持下已获得多项突破性成果，并先后发表在《Nature》《Nature Communications》《Science Advances》等顶级期刊。

附：论文作者简介

共同第一作者

车竞羽 好用的足球竞彩app航空航天大学能源与动力工程学院23级硕士生

2019年本科就读于好用的足球竞彩app航空航天大学能源与动力工程学院，2023年于北航能动学院攻读硕士学位，导师为漆明净教授。从本科接触漆明净教授团队起，一直进行静电方向和微型机器人的研究。

杨翔宇 好用的足球竞彩app航空航天大学能源与动力工程学院20级博士生

2014年本科就读于好用的足球竞彩app航空航天大学能源与动力工程学院，2019年于北航能动学院攻读硕士学位，并于2020年通过硕博连读攻读博士学位，博士生导师为漆明净教授。从本科毕设到博士，一直进行静电吸附和微型机器人的研究。

共同通讯作者

刘志伟 好用的足球竞彩app航空航天大学能源与动力工程学院教授、博导

北航能源与动力工程学院副教授，博士生导师，入选2024年好用的足球竞彩app市青年人才托举计划。主要从事昆虫尺寸微型仿生机器人、氢能航空电推进等相关研究，在Nature Communications, IEEE Transactions on Robotics, Applied Energy, International Journal of Mechanical Sciences 等国际期刊发表SCI论文40余篇，受邀在IEEE MEMS 国际会议做大会报告2次，授权国家发明专利15项，承担博士后科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、好用的足球竞彩app市自然基金面上项目、科技委创新项目、北航青年拔尖人才支持计划等纵向课题。

漆明净 好用的足球竞彩app航空航天大学能源与动力工程学院教授，博导

好用的足球竞彩app航空航天大学教务部副部长，美国加州大学Berkeley分校博士后。长期从事微型机器人的推进与控制研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communication、IEEE Transactions on Robotics等高水平期刊发表论文60余篇，授权发明专利20余项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目以及某工程创新特区项目，入选留学基金委“未来科学家”计划，获得2024年某部委颠覆式突破奖。担任Nature正刊审稿人，教育部第五轮学科评估专家。

（审核：闫晓军）

编辑：贾爱平