近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授王宏强团队在人形机器人与仿生机器人领域取得重要突破，成功研发出一种基于气动膨胀结构与多维稳定机制的新型仿骨变形柔性机构。该机构在重量仅350克的情况下，可实现高达315%的可伸展性，并具备优异的承载能力、结构稳定性与柔顺性。基于此创新机构，团队进一步研制出首款轻质软体人形机器人“GrowHR”，其高度达1.36米，重量仅为4.5公斤，不足传统同尺寸刚性机器人重量的20%。
这项突破性研究为解决机器人安全性与环境适应性难题提供了全新的技术路径，有望推动机器人从工业场景走向日常生活，像科幻电影中的“大白”一样成为人类安全可靠的伙伴。
灵感源于人体骨骼，实现刚柔并济可变形结构
据预测，未来每个家庭将有一个机器人帮助人类完成各种繁杂的任务，可能每个人都会有一个机器人与之朝夕相伴。然而目前的机器人仍然难以广泛应用，其中一个方面的原因在于其质量太大，结构太刚硬，容易撞到人或者周围的环境，造成人身和财产风险，机器人也容易被撞坏。而且人类各种的复杂的环境，机器人本身也难以适应。尽管在科幻电影里“大白”机器人很好的解决了类似的问题，但是在现实生活中如何实现成为过去几十年科学家一直在苦苦寻找解决方案的问题。
王宏强教授团队从人体骨骼的“刚柔并济”特性中获得灵感，提出并实现了仿骨变形柔性机构(图1)。人体骨骼既坚固又能通过关节实现灵活运动，甚至在受到冲击时能通过微小形变吸收能量，通过气动膨胀结构与多维稳定机制的协同设计，通过模拟了骨骼的变形与承载特性，该团队创造出一种既轻便又强韧的新型机构。
“GrowHR”：变形自如的多场景机器人
基于仿骨变形柔性机构，团队成功研制出名为“GrowHR”的软体人形机器人。GrowHR不仅外形仿人，功能上更是“超人”，具备传统人形机器人机器人难以企及的变形能力与环境适应性：
动态形态自适应： GrowHR能够根据环境需要自主调整体型，在狭窄或受限空间中显著收缩体积。实验演示中，它可通过变形穿过高度仅为原身高36%的矮洞，通过收缩肚子挤过宽度仅为原身宽61%的狭缝，显著提升了其在复杂地形中的通行性与环境适应能力。
多模态运动能力：得益于腿骨的伸缩功能，GrowHR不仅能像传统人形机器人那样行走，还可像虫子一样蠕动爬行(图2(c))，进入极小的洞穴空间。同时，其整体密度仅为水的5.8%，具备卓越的水上性能——可在水中负载自身重量16倍的物体，实现漂浮、游泳，甚至借助脚蹼和质量块实现轻工“水上漂”。从而大大拓宽了人形机器人的应用场景，不光可以用于工厂和家庭，还可以用于水上救援、水面清理等任务。
轻质可空投：由于整体质量轻(4.5公斤)，借助涵道风扇或者无人机，GrowHR甚至可以“上天”，从而可以进行上千公里的远距离投放作业。
本征安全设计，适合人机共处环境
安全性是GrowHR的另一大突破。传统机器人由于质量大、结构刚硬，在意外碰撞中可能对人或环境造成伤害。GrowHR的骨骼本身具有柔性且质量轻，从而使得整体机器人具有了更好的安全性。例如其倒地撞击力仅为同等重量下的刚性机器人的1/1.7，而且其重量足够轻，甚至可以被一个6岁小孩举起，并可安全地进行各类互动，因此对于与之可能朝夕相处的人类来说，这种机器人是本征安全的。
“我们的目标不仅是创造功能强大的机器人，更是确保它能安全地与人类共同生活和工作，”团队成员表示，“GrowHR的本征安全特性使其非常适合未来家庭、医疗、教育等近距离人机交互场景。”
拓展人形机器人的未来应用场景
这项研究极大地拓宽了人形机器人的应用可能性。传统人形机器人多局限于结构化环境，而GrowHR凭借其变形能力与多模态运动特性，可适应从室内家居到野外救援，从水面清理到空中投放的多样化场景。
想象一下，未来每个家庭可能都有一个这样的机器人助手，它可以在狭窄空间帮您寻找物品，在紧急情况下穿越障碍进行救援，甚至在水灾时执行水面搜救任务。它的轻质安全特性让人类可以放心与之相处。
该研究为更安全、更多功能的未来人形机器人的实现和走入我们的生活，提供了一种全新的有效的解决思路。南科大团队将继续致力于创新机器人技术，为构建更安全、更智能、更融合的人机共处未来贡献力量。
这项研究成果已发表于国际顶级期刊Science Advances，标题为“Bioinspired Growable Humanoid Robot with Bone-Mimetic linkages for Versatile Mobility”。南方科技大学机械与能源工程系博士生刘豪为论文第一作者，杨炎达、王婷、尹金涛为论文共同作者，王宏强教授为论文唯一通讯作者。南科大为论文第一单位。该项目由国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省科研支持计划等资助。