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导读：想象一下：当你的手指触碰到灼热的表面时，是先在脑中完成一段时间的缜密思考，再发出“很烫，必须缩回”的指令？还是在感受到痛觉的瞬间，就本能地把手指移开？答案显而易见，是后者。然而，当前的具身机器人依然存在“离散驱动 + 离散传感”的局限，对环境的响应迟钝且缺乏本能。为实现人类智能般的具身智能，机械超材料（Mechanical metamaterials）正成为热门研究领域之一 ......想象一下：当你的手指触碰到灼热的表面时，是先在脑中完成一段时间的缜密思考，再发出“很烫，必须缩回”的指令？还是在感受到痛觉的瞬间，就本能地把手指移开？答案显而易见，是后者。
然而，当前的具身机器人依然存在“离散驱动 + 离散传感”的局限，对环境的响应迟钝且缺乏本能。
为实现人类智能般的具身智能，机械超材料（Mechanical metamaterials）正成为热门研究领域之一。超材料类似一体化自感知驱动器：传感与驱动在同一材料或结构中完成，通过结构设计直接产生功能。
当机器人不再依赖核心计算，而是让“智能”分布在全身，具身智能才真正成为可能，进而催生出具身机器人的下一个范式具身超材料机器人（Humanoid Metamaterial robotics）。
图｜具身超材料机器人
日前，在权威科学期刊 Science Robotics 刊发的一篇综述中，东京大学助理教授 Xiaoyang Zheng 团队及其合作者探讨了 3 个改善机器人功能的超材料设计原则，以及超材料机器人建模方面的挑战和如何利用人工智能（AI）技术指导更有效的设计。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx1519
在他们看来，超材料机器人有潜力重塑机器人系统与环境交互的方式从刚性、集中式机器演变为能够自组织、自学习和自主进化的自适应、智能集体。
超材料的 3 个设计原则超材料通常由特定构型重复排列的构建单元组成，从而产生集体行为和可调性。将多功能超材料物理嵌入机器人可增强其感知、驱动和控制等多项功能。Xiaoyang Zheng 团队及其合作者提出了超材料的3个设计原则：受力学启发的可变形架构实现可编程运动、借鉴折纸艺术的可重构结构提升柔韧性，以及基于刺激响应材料的智能感知功能。
这些原则为设计机器人提供了多样化途径。
1.力学启发架构机器人的身体不应只是一个支撑结构，还应具备通过自身变形完成任务的能力。超材料结构让材料本身成为功能来源，而不仅是外壳。
晶格（Lattices）通过周期性结构实现高刚度、轻量化和可调柔性。它们能支持自组装、分布式感知、可变刚度等功能，还能通过特殊几何实现扭转、耦合等非常规运动方式。
负泊松比材料（Auxetics）在压缩时会整体收缩、拉伸时整体扩张，使机器人在减少机械系统里用于驱动动作的部件数量下实现运动和抓取。它们还能构成高灵敏传感器、多自由度管状驱动器，以及可连续变形的曲面结构。
通过设计单稳、双稳、多稳态结构，弯曲等不稳定行为被转化为功能，用于强力驱动、高速跳变、仿生运动和多状态形变。这类结构让机器人具备快速响应、形态切换和可编程重构能力。
图｜力学启发架构的设计变量、工作原理、功能特性及机器人应用
2.可重构形态结构机器人在运动时常需要大幅度改变自身形状，而这些变化受到结构弯曲、拉伸、屈曲等力学行为的限制。
可重构结构包含折纸（origami）、切纸（kirigami）以及基于接触的构型耦合通过改变连接处的几何形态，让材料在二维与三维之间自由切换。折纸和切纸依靠柔性折痕与刚性面板实现结构重构，而接触耦合通过滚动或互锁单元实现模块化的自由变形。
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