《Science》！解扣起跳的繩子，用拓撲學刷新微型機器人跳躍極限

一根幾毫米長的“智能繩子”，能在毫秒間激烈地解開自身的繩結，像跳蚤一樣將自己彈射到1.8米高空，還能完成后空翻、旋轉，甚至像回旋鏢一樣飛回來。

這不是魔術，是本周剛剛發表在國際頂刊《Science》上的一項突破性研究，由賓夕法尼亞大學研究團隊完成。他們揭示了一種全新的微型機器人驅動方式，通過“解結”來釋放巨大能量，讓軟體機器人實現了前所未有的跳躍和飛行能力。

01.

核心秘密：當復合材料遇上繩結拓撲

傳統微型跳躍機器人的痛點在于，既要足夠柔軟以變形儲能，又要足夠剛硬以承受沖擊，還要足夠輕巧。跳高紀錄往往由笨重的剛性系統保持，而靈活的軟體機器人跳得還不夠高。

這項研究的巧妙之處，就在于它用“復合材料+繩結拓撲”的組合拳，優雅地解決了這個矛盾。

• 復合材料：一根“軟硬兼施”的智能纖維

研究人員制造了一種特殊的復合纖維。它的“芯”是柔韌但超強、超硬的凱夫拉（Kevlar）單絲，而“皮”則是一層液晶彈性體（LCE），里面還摻入了碳納米管和纖維素納米晶體來增強性能。

這層LCE外殼就是動力的源泉。它內部的棒狀分子（液晶基元）可以在特定排列下，受熱時沿著排列方向收縮，而在垂直方向膨脹。通過在紫外固化時給纖維預先加上扭轉，研究人員就將這種各向異性“寫入”了材料，使其在受熱時能產生強大的解捻驅動力。

這套“軟殼硬芯”的組合，使得最終纖維的楊氏模量高達4.3 GPa，儲能能力是純LCE的143倍。

• 繩結拓撲：“解結”即飛躍

有了這根“軟殼硬芯”的纖維，只需把它打成一個結，一個充滿彈性能的“彈簧-扳機”系統就構建完成了。

當用熱或光將其加熱到約90℃時，LCE外殼軟化并觸發預存的扭轉變形，產生足以克服摩擦力的驅動力。繩結會瞬間“解扣”，將儲存的彎曲彈性能爆發式地釋放，就像突然扣動扳機。

實驗結果可以作為驗證：一個長6.5毫米、直徑1毫米的繩結，在314毫秒內就跳到了1.8米的高度，這個跳躍高度是其自身長度的近280倍，

快速跳躍的 LCE 結

性能不僅超越了幾乎所有同類軟體機器人，甚至可以與自然界中的跳蚤（跳躍高度約150倍體長）一較高下。

02.

用“繩結幾何學”為運動導航

繩結“解扣”所釋放的能量遠不止跳得高，這項研究真正開創性的地方在于：繩結怎么打，直接決定了它騰空后做什么動作。

訣竅藏在兩種能量的配比里。復合纖維被打成結后，內部同時儲存了兩種彈性能，彎曲帶來的能量，和扭轉帶來的能量。二者誰占上風，決定了運動的類型。

彎曲能遠大于扭轉能，比如一個簡單的不對稱單結，解扣瞬間纖維會像甩鞭子一樣揮動“長腿”擊打地面，順勢完成一個后空翻。

扭轉能占主導，比如一個8字結，纖維則圍繞自身軸線高速旋轉，像子彈一樣彈射出去。

基于幾何形狀的跳躍捕捉

還有一個關鍵變量：解扣需要幾步。

有些結一步就能解開，動作干凈利落；有些結則要分好幾步，像精心編排的序列。把幾個單結串聯起來，就能編排出一套騰空后先翻轉、再旋轉、最后解體彈飛的“空中體操”。

為多功能運動編程紐結拓撲結構

換句話說，研究人員把“打結”變成了一套運動編程語言：打什么樣的結，就輸出什么樣的動作序列。

03.

裝上翅膀：從回旋鏢飛行到自播種

團隊并未止步于跳躍。他們將這套運動控制能力進一步延伸到了飛行，給一個能后空翻的繩結裝上聚酰亞胺葉子翼，致動器躍起后竟沒有沿拋物線落地，而是畫出一條三維曲線，像回旋鏢一樣飛回了起點附近。

其原理在于，后空翻產生的進動力矩與機翼兩側氣流速度差產生的空氣動力相互耦合，共同將飛行軌跡拉回。

若將機翼裝在旋轉型繩結上，則能實現穩定的空中旋轉和垂直下降。這種下降的推力甚至足以讓致動器自旋著“鉆”入土壤。

研究團隊展示了攜帶芝麻菜和松樹種子的致動器，在鉆入土壤幾天后，芝麻菜種子僅用4天、松樹種子7天后便成功發芽，為“空中自播種”提供了顛覆性的想象空間。

各種飛行模式

總而言之，這項研究將古老的“繩結”轉化為一種全新的能量和信息編碼手段，從儲能、促發到多模態運動一氣呵成。這或許開啟了軟體機器人設計的一個新范式——不僅模仿自然界的運動結果，更開始復刻其充滿爆發力和多樣性的運動過程。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed0434