自然界中的许多生物依靠肌肉与骨骼的协同作用改变身体构型，动态调节运动速度、形变幅度与肢体力学特性，从而适应复杂多变的环境。为实现类似的变形能力和调节功能，变体机器人逐渐成为具身智能与多模态机器人领域的一个重要研究方向。然而，当前的主流变体机器人普遍采用“两套独立系统”的设计思路：一套负责构型切换（如变刚度致动器、舵机），另一套负责动力输出（如直流电机）。驱动元件冗余、机械结构复杂的问题，限制了机器人向微型化、无线轻量化方向发展。尤其在厘米尺度下，如何依托一体化驱动架构同步实现几何形态的编程重构与动力学性能的快速调控，仍是该领域面临的重要问题。

近日，航天航空学院、柔性电子技术国家级重点实验室张一慧教授课题组受生物肌骨系统启发，提出了一种人造肌骨致动器的新型设计策略。该致动器由可实现形态重构与构型锁定的“骨骼”模块和动态响应特性可调的“肌肉”模块串联构成。其中，骨骼模块采用形状记忆聚合物与液晶弹性体的材料—结构协同设计，实现连续形态变化和构型锁定；肌肉模块则通过多层介电弹性体与形状记忆聚合物的异质集成，实现整体刚度的调控，并可主动调节共振频率、振动幅度和驱动力。这一设计使致动器的形态和动态行为能够在架构层面独立编程，减少对复杂机械传动机构和集中控制系统的依赖。课题组通过对肌肉和骨骼模块进行组合设计，研制出多款兼具复杂重构能力与多样驱动模式的仿生致动器，包括可实现动态展尾开屏的孔雀致动器、具备多样化摆尾动作的蝎子致动器，以及能够实现踢腿、行走、奔跑、跳跃、游动与负重等丰富类人行为的人形致动器。

图1.形态可编程、动力学可调的肌骨致动器。（A）致动器示意图；（B）形态与动态响应的独立调控；（C）肌肉模块的动态响应特性调节；(D)肌肉模块的快速响应；(E)人形致动器。比例尺：10mm

在此基础上，课题组进一步研制出两款变体机器人。第一款是可在四足与人形两种构型之间可逆切换的有线机器人，质量为1.8g。在四足状态下，该机器人最高运动速度达到每秒3.0个身长，可携带6g负载；转换为人形状态后，机器人前肢得以解放，可用于抓取物体，并可进一步集成手掌以拓展功能。第二款是受蜜袋鼯启发的无线机器人，整机重量仅6.4g，集成了超轻高压驱动控制电路和微型锂电池。其中，质量仅1.04g的电路可将3.7V锂电池低压输入转换为最高约9.5kV的低中频高压输出，能够对骨骼形变、肌肉刚度及驱动频率进行独立精准调控，使机器人能够在地面行进、负载搬运、水面巡游和空中滑翔四种工作模态之间按需切换。该机器人地面运动速度最高可达每秒1.1个身长，最多可携带3.6g负载，并能够以最快每秒0.37个身长的速度在水面运动。

图2. 基于肌骨致动器的变体机器人。（A）可在四足与人形构型之间切换的机器人；（B）蜜袋鼯运动示意图；（C）蜜袋鼯启发的无线微型机器人；（D）液面游泳；（E）复杂场景运动。比例尺：20mm

相关研究成果以“形态可编程、动力学可调的肌骨致动器”（Musculoskeletal actuators with programmable morphology and tunable dynamics）为题，近日发表于《科学进展》（Science Advances）。

张一慧教授为论文通讯作者，清华大学航院2020级博士生徐世威为论文第一作者。论文作者还包括清华大学航院2024级博士生臧传奇、2023级博士生唐振家、2021级博士生胡笑男、2018级博士生刘志、2022级本科生高泽昊，航院博士后杨若曦、刘丽雅、庞文博，柔电国重副研究员柏韧恒，北京航空航天大学教授漆明净、博士生彭谨哲、申威。

该研究得到了国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、科学探索奖、国家重点研发计划等项目的资助。