在清华大学张一慧教授的实验室里，一款仅25克重、巴掌大小的机器人正在上演“变形记”：前一秒还像无人机般在空中盘旋，下一秒就收起旋翼变身“小汽车”在地面疾驰。这个全球最小的无线陆空两栖机器人，究竟蕴藏着怎样的黑科技？
张一慧，清华大学航天航空学院工程力学系长聘教授，在中国力学学会、中国电子学会等兼任多项职务，曾获国家杰出青年科学基金、科学探索奖。
张一慧团队科研攻关的幕后有哪些不为人知的故事？他为何屡获国际前沿科技成果？本期“科研现场”栏目，我们聆听这位80后青年科学家的创新思考。
改写多模态微型机器人规则
要让机器人又小又轻、无线控制，还要具备复杂形态切换能力非常难。
形态上来看，以往公开报道的陆空两栖机器人，重量一般在450克以上，而我们研发的这款机器人尺寸特别小，仅有9厘米长、25克重，完全无线操控，是已知世界最小、最轻的微型无线陆空两栖机器人。
从功能上来看，相较于传统小型无人机，它具备陆地和空中两种运动模式，还可以变体，可根据环境灵活切换模式，展现出更强的环境适应性和更长的续航时间。
而这些特性的实现主要源于一项核心原创技术，一种具有连续变形和锁定能力的小型驱动器，这是微型机器人的“心脏”，也是我们在材料与结构协同设计方面的创新成果。
这款薄膜状的微型驱动器，最小只有几毫米，通过电控制，可像“变形金刚”一般让微型机器人实现连续形状变化，还能“锁定”其特定动作形态，提升其环境适应能力——这是以往小尺度驱动器很难做到的。
基于该驱动器，我们实现了机器人形态的按需切换，具备地面行驶与空中飞行的运动能力，在轻量化与小型化的同时，还能适应如崎岖地面、狭窄通道或树洞等复杂地形。
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图为具有连续变形和锁定能力的小尺度驱动器。（a）为驱动器的变形和锁定示意图；（b）为基于“搭积木”设计策略的“变形金刚”驱动器。（比例尺：10mm）
从应用角度来看，这项技术极大地拓展了机器人的应用空间。例如，应用于设备故障诊断及检修、地质及文物勘探等场景，替代人类执行复杂危险环境下的多种任务。在医疗器械领域，比如植入式设备，像电子支架能以折叠状态进入体内再展开。未来，我们还打算把这项技术用到触觉反馈或虚拟现实领域，让人机交互模式更加丰富多样。
取舍与创新：从“海陆空”到“陆空”
回顾整个项目，从最初构想到实验成功，团队倾注了两年多心血。
实际上，自2017年起，我们课题组便投身于微型机器人研究领域。早期，我们成功研发出一款微型软体爬墙机器人，它能跟“蜘蛛侠”一样，在圆柱面、球面、波浪面各种复杂形貌的墙面攀爬，甚至能在树叶或竹节上“大显身手”。
此外，我们还与合作伙伴携手，研发出一款受风传种子启发的被动式微电子飞行器。这款飞行器设计轻巧，能在空中自旋稳定下落，且下落速度极低，实现了超长滞空。
在前期的研究中，我们积累了丰富的软体驱动器研发经验，并深刻认识到形状重构能力对于微型机器人的重要性，可赋予机器人多样化的运动模式，提升它的环境适应能力。
最初，我们的目标是开发一款海陆空三栖机器人。我们花费了半年多的时间尝试，在实际操作中，虽然初步实现了水面运动，但效果并不理想。经过深入的讨论和慎重地考虑，我们决定先聚焦两栖功能，先逐步实现，再谋更大突破。
研究两栖机器人时，难题又来了：如何在缩小电机尺寸和质量的同时，让它具备复杂变形能力？现有驱动器在小尺度（比如小于5厘米）下，很难同时实现连续形状变化和构型锁定，也难以做到同源且解耦的变形与锁定控制，这严重阻碍了多模式机器人向微型化、无线化发展。
我的博士生徐世威是这项工作的主要负责人，在前期研究中，他已经深入掌握了智能材料（有可控变形能力的液晶弹性体、形状记忆聚合物材料）的工艺和应用特点。
张一慧（右）指导学生实验。
但仅了解材料特性还远远不够，又一个挑战摆在面前：要将这两种材料有机地融合在一起，让它们在电控过程中互不干扰，既能独立工作，又能协同配合。
于是，我们在结构设计上大胆创新，充分发挥团队在力学和结构设计方面的优势，引入空腔设计，用空气实现热隔离。这样，用同一种电源就能控制变形和锁定这两种功能，它们互不干扰，还能紧密协作。
通过巧妙融合创新材料-结构协同设计，我们成功解决了小尺度驱动器连续变形和锁定的难题。
在工艺上，实现驱动器与机器人系统无缝集成也充满挑战。为让机器人能可控切换形态，在地面和空中灵活运动，我们对驱动器的尺寸、厚度等参数进行了精细的优化设计。
最终，在团队成员的刻苦钻研和高效工作下，我们成功攻克难关。其实，我课题组很多研究工作周期都较长，这次项目能在两年多完成，学生的努力功不可没。
走在国际前沿，深耕关键力学难题
2015年，我从美国西北大学回国加入清华大学。过去十多年，我们课题组始终紧跟世界科技前沿，积极响应国家在科技领域的重大需求，深耕三维微纳结构与微纳电子器件设计制造中的关键力学难题，为器件或系统层面的创新提供了理论基础和制造途径。
我们从基础力学设计方法、理论出发，延伸至器件结构、加工工艺，再到应用层面，全面深入地开展研究，从技术攻关到创新应用，层层推进。
在器件与结构制造上，三维组装制造技术是我课题组原创的“独门秘籍”。
我们创新性地提出利用屈曲力学组装三维微纳结构。简单来说，就是先在成熟的半导体二维平面加工工艺下，做出易成型的二维微纳结构或器件，再通过力学加载让其“变身”成三维结构。凭借此技术，我们在国际上率先完成了软基底上单晶硅复杂三维结构的组装与重构。
大自然是我们的灵感源泉。许多植物的多孔微结构对自身成型和形态发展至关重要，受此启发，我们提出了微点阵设计概念，建立了理论模型和机器学习设计方法，实现了30多种微观甚至纳米尺度的三维复杂曲面定制化设计和制备。
这项成果应用前景广阔。比如，研制出可与心脏表面共形贴附的透气式三维电子器件、仿视网膜的三维电子细胞支架等。
我们还创建了电子皮肤器件的仿生三维架构，从物理层面实现了压力、剪切力和应变的解耦测量。结合深度学习算法，研制出仅靠触摸就能同时测量物体模量及局部主曲率的先进触觉系统。
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具有三维架构的电子皮肤：仿生设计概念及真实器件图片。
这一成果在机器人领域潜力巨大，能让机器人拥有触觉感知，与外界有效交互。如搭载该电子皮肤的机器人触摸水果，就能感知硬度和表面弯曲度，判断是否变质。此项工作被电子皮肤领域顶尖专家评价为“电子皮肤技术的一大进步”，提出的“创新路径”让电子皮肤具备了“此前从未拥有的传感能力”。
近些年我们能在科研上取得一些重要进展，我觉得主要归功于课题组长期注重交叉融合，立足力学学科，关注前沿科技问题，运用力学原理和多学科交叉手段攻克关键问题。
我们研发的原创性技术，不仅攻克了该领域长期存在的痛点问题，更为国家技术发展贡献一份绵薄力量。这让我深感责任重大，也明白了这份工作的非凡意义。
行胜于言，跨学科团队的科研突破
作为一名教师，在教书育人的岁月里，我时常被学生们的成长所触动。
看着他们在攻克难题、解决问题的道路上不断磨砺自己，从青涩走向成熟，科研能力日益精进，成功跨越一道道难关，我满心欣慰与自豪。
科研之路，绝非坦途。许多科研问题的研究周期漫长，探索过程中困难重重。但学生们从未言弃，和我一起钻研新知，学会主动发现问题、解决问题，科研能力显著提升。
就拿我们立项的微点阵设计工作来说，从启动到完成，历时五年，期间历经无数失败与停滞。
微点阵设计的构想最早源于2018年。项目初期，我安排一位博士后和一名本科生共同开展工作。可推进过程中，困难接踵而至。一方面，我们制备经验不足；另一方面，制备条件也不完善，项目进展缓慢。近两年过去，预期效果仍未取得重大突破。
后来我意识到，要让设计不仅理论上可行，实验制备也得有成效，才能验证理论。于是，我安排一位动手能力、实验能力都很强的博士生加入团队，主要负责实验和工艺摸索。他加入一年后，项目有了起色。之后，人工智能和机器学习技术兴起，也为我们的技术拓展提供了契机。
有了新技术支持，我们立项设计的一些非常复杂的曲面，包括一个与蚂蚁形态极为相似的曲面，都取得了令人瞩目的成果。这个用电子器件材料加工出来的曲面，形态逼真且尺寸与真实蚂蚁相当。
在这个过程中，我深切体会到团队合作的重要性，也明白了实验和制造工艺的关键作用。这些基础工作虽在论文中可能一笔带过，但重要性不容小觑。
整个项目持续五年，期间有博士生毕业，博士后出站。但我们克服疫情和空间距离，保持紧密联系，持续推进研究。
从这一项目可以看出，一个长时间项目的成功，需要钻研精神和“坐冷板凳”的毅力。
其实，我的课题组规模不大，但成员专业背景多元。博士生大多是力学专业背景，博士后团队则涵盖电子、材料、机械、化学等多个学科领域。这种多元背景，为我们解决复杂综合性问题提供了有力支持，尤其在电子器件、微型机器人等方向上，不同专业背景的人才各展所长，通力合作，更高效地解决问题。
张一慧（前排左一）与团队成员。
团队合作中，我们特别强调创新、团结和拼搏精神。大家深入研讨、交流，互相启发，共同进步。正是这种精诚合作，让我们在科研道路上不断突破。
我想对正在科研道路上共同奋斗的同仁说，我们生逢一个特别好的时代，科技在国家各项事业发展中举足轻重，我们要敢于拼搏、放手奋斗，不负时代，不负韶华。
清华大学的校风“行胜于言”是影响我较大的一句座右铭。它激励着我在科研道路上不断前行，也时刻提醒着我，要用实际行动来脚踏实地地做研究。
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责 编：陈尽美
审 核：张敬一
值班编委：宋玉荣
