從仿生到造物，中國科學家破解水下仿生軟體機器人的底層邏輯

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論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

本文約3300字，閱讀約8分鐘

文 | 李雁羽 李磊

出品 | 海潮天下

當我們談“仿生學”（bionics）時，通常會想到一句話：向自然學習。科學家們模仿自然生物制造出了各種各樣的仿生機器，它們可以模仿鳥類翱翔天際、模仿魚類游弋江河、模仿壁虎飛檐走壁、模仿水母推波曼舞，甚至模仿人類完成跳舞、騎自行車、滑旱冰、跑馬拉松等操作。這些仿生機器往往具有和真實生物極為相似的外形，使人難辨真假。

但近期發表在npj Robotics的一篇關于水下仿生機器的綜述，卻提出了一個更深刻的問題：仿生，我們真的學對了嗎？

答案是：不完全是。

因為自然界的關鍵，從來不只是“長得像”，而在于如何在環境中高效地運行并且適應環境。

該研究由北京大學牽頭，聯合中國科學院水生生物研究所、新加坡國立大學、中國科學院自動化研究所等機構的科研人員共同合作完成。論文第一作者為北京大學先進制造與機器人學院的李磊副研究員，論文通訊作者為喻俊志教授。這種多單位跨領域的攜手合作，也體現了生物學與機器人學深度交叉的研究趨勢。

圖1 Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back（《仿生水下軟體機器人：從生物到機器人，再回歸生物學》）論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

生物不是在對抗環境，而是在適應環境

傳統水下機器人的設計邏輯往往簡單粗暴，大多是剛性結構，并由螺旋槳推進，看起來就像一個個小潛水艇。但真實的水生生物完全不同，它們千姿百態，適應各種水生環境，僅魚類的外形就可以被分為：紡錘型、鰻型、側扁型、平扁型等等。

在這篇綜述之中，作者提出一個核心概念：“身體智慧”（body intelligence），簡單來說，就是身體、材料、控制與環境一起參與“計算”。文中提到金槍魚、水母、章魚和?魚沒有試圖“控制一切”，而是把身體變成一個與水生環境協同工作的系統。這里面涉及運動的流體耦合、生物器官形態與材料結構、分布式感知，以及自適應控制等方面。生物的能力，不在于某個獨立部件，而在于身體的整體協同。

圖3 截取自原論文Fig.2 “body intelligence”的四個層面：運動與流體耦合、結構與材料、分布式感知以及自適應控制，共同決定生物在水中的高效行為。論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

仿生不僅是模仿生物，還應該“研究生物”

如果仿生只是簡單復制，其意義終究有限。這篇論文提出了一個新的研究框架——“從生物到機器人，再回到生物”：仿生機器不僅用于模仿自然，更能夠反過來作為實驗工具去研究自然。

其原因在于，使用真實生物體進行實驗，不僅涉及動物倫理（Animal ethics）問題，許多變量也難以被單獨控制，而在仿生機器系統中，這些因素卻可以被精確調節，例如改變仿生魚尾的剛度以觀察推進效率的變化、通過控制魚尾或魚鰭的擺動頻率來探索不同流場下的最優運動方式，更細節的操作案例是調整仿?魚吸附結構中鰭片的角度來分析其對摩擦力的影響。

這些在動物身上難以實現的實驗，在機器人中卻成為可控變量。由此，機器人不再只是工程產物，而成為一種“可調參數的生物模型”，也正如論文所強調的——仿生機器人不僅是工程系統，更是科學研究工具，它讓我們第一次能夠系統地回答一個問題：自然界中的這些結構，究竟為什么會是這樣。

圖4 截取自原論文Fig.9，機器人作為研究生物機制實驗工具的案例 A.仿生蝠鲼揭示由快速變形產生的分叉射流與渦偶結構如何增強推力并提高抗碰撞能力；B.仿生?魚吸附盤揭示微小棘刺對摩擦增強的作用機制；C.仿章魚腕足的漸細軟體執行器表明，錐度角決定了彎曲能力與剛度之間的權衡關系。論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

更進一步，這一思路甚至延伸到古生物研究，我們可以通過古生物遺留的痕跡（如化石或者足跡等）去研究那些已經滅絕的生物。比如，通過構建基于柏氏山行龍（Orobates pabsti）的行走機器人，科學家發現該物種的運動方式比以往假設更為先進，姿態更直立、步態的穩定性更高且能量效率更優，說明高效步態可能在羊膜動物輻射之前就已出現。

通過對蛇頸龍鰭的仿生模型進行流體力學實驗，研究前后鰭之間的渦流相互作用，證明蛇頸龍的鰭肢協同運動在水下具有潛在優勢；基于埃及棘龍（Spinosaurus aegyptiacus）尾部形態構建仿生機器人模型，通過在水中進行推進測試，分析其尾部擺動產生的流場與推力。實驗結果表明，該尾部結構能夠有效產生推進力，支持該古生物具備水下游動能力的假說。

利用名為Rhombot的仿生機器人模擬古代棘皮動物（Pleurocystitids，中文常譯為側囊蟲）的身體結構與運動方式，控制其“莖部”擺動和附肢運動，以此來研究不同運動策略對速度與效率的影響。結果顯示，大幅度擺動結合特定推進方式可以顯著提升運動性能，與化石推測的演化趨勢相一致。

這些案例說明，仿生學技術可以使滅絕物種的運動方式在實驗中被重建與檢驗，從而將“進化故事”真正轉化為可量化的科學機制。

圖5 仿生學和古生物研究 左圖源自（John A. Nyakatura, J. A., et al. (2019). Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature, 565, 351–355.），展示仿生柏氏山行龍的研究；右圖截取自原論文Fig.10，展示通過仿生手段研究蛇頸龍、埃及棘龍以及側囊蟲的案例

趨同進化：指導仿生研究總結自然界底層代碼

該論文進一步指出，對仿生學而言真正重要的其實并非模仿某一個物種，而是從整體上“總結自然”。這一思想在論文的插圖之中展現得尤為生動：在相似的物理與生態約束之下，來自不同進化譜系的生命，沿著各自的路徑，卻不約而同地抵達相似的答案——這正是趨同進化（convergent evolution）的深層含義。環境并不直接“塑造”生物，而是限定了解空間，使不同譜系在演化過程中收斂到相似的物理與結構解。

圖6 鯊魚、魚龍與海豚的趨同進化示意。盡管分別屬于軟骨魚類、爬行類和哺乳動物，這三類動物在水生環境中獨立演化出相似的流線型體態與鰭狀附肢，體現了環境約束驅動下的形態趨同；圖源Fish F. E., 2023. Aquatic locomotion: Environmental constraints that drive convergent evolution. In Convergent Evolution: Animal Form and Function, Springer.

無論是在空中還是水中，不同類群的生物在相似環境壓力下，往往會演化出功能相近的結構。比如飛魚（硬骨魚）、鳥類、蝙蝠（哺乳類）以及已經滅絕的翼龍（爬行類）都發展出翼狀器官用于飛行或者滑翔；而在水中，企鵝（鳥類）、鯊魚（軟骨魚）、鯨豚類（哺乳動物）還是早已消失的魚龍（爬行類），雖分屬不同類群，卻都擁有流暢有力的鰭狀附肢，并且還都選擇了流線型的身體，以便于穿行于海洋之中；而七鰓鰻（圓口綱生物，擁有布滿角質齒的口吸盤）、喉盤魚（硬骨魚，胸腹鰭與部分皮膚共同形成吸附器官）、網蚊科昆蟲幼蟲（昆蟲綱生物，以腹部的吸盤作為吸附器官）與烏賊（頭足綱無脊椎動物，部分腕足上擁有吸盤）都發展出精巧的吸附結構，用于抓取事物以及在急流與粗糙表面之間穩穩駐足。

圖 7 截取自原論文Fig.11趨同進化的典型案例：在相似功能需求與環境約束下，不同物種獨立演化出相似結構——包括飛行中的翼結構、水下推進的鰭狀附肢、用于附著的吸附器官以及用于抓取與纏繞的螺旋結構。論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

無論是章魚（頭足綱無脊椎動物，以具有吸盤的腕足實現抓取）、海馬（硬骨魚類，具有可纏繞的卷曲尾部）、變色龍（爬行類動物，尾部可盤繞用于穩定與抓握）還是大象（哺乳動物，利用高度靈活的鼻子進行操作），雖分屬不同類群，卻都發展出能夠彎曲纏繞的附肢結構。這些結構在形態上往往呈現出近似對數螺旋的幾何特征，使其能夠在抓取、纏繞與支撐過程中逐漸貼合目標物體，從而實現穩定而高效的力傳遞。盡管它們的解剖結構與演化路徑各不相同，但都指向了同一種功能性解決方案，即通過螺旋式彎曲來提升抓握能力與空間適應性。

這些看似各異的生命形態，居于生命之樹的不同枝丫卻發展出了相似的器官，這并非偶然的巧合，而是在流體力學與環境約束編織出的“可行解空間”中，對最優路徑的反復逼近與收斂。正是在這樣的背景下，該論文提出了“通用仿生設計”（biouniversal design）理念：與其執著于模仿某一種生物的外形，不如去提煉那些跨越物種、跨越時間而依然成立的設計法則。換句話說，自然界并未給出無數彼此獨立的答案，而是在億萬年的演化長河中，以不同生命的形態，一次又一次地書寫著同一套底層的物理與結構規律。

結語

或許，仿生的真正意義，從來不在于“做得多像”，而在于看懂自然是如何運作的。當我們不再執著于模仿某一種生物，而是開始提煉跨物種、跨時間的共通規律時，仿生才真正走向成熟。從海洋中的魚類與章魚，到早已滅絕的古生物，自然一次次地給出不同形式、卻相同本質的答案。問題不在于自然有沒有答案，而在于我們是否學會了讀懂它。

本文參考資料
[1] 感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Li L, Qin B, Gao W, et al. Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back[J]. npj Robotics, 2026, 4(1): 25.
https://www.nature.com/articles/s44182-026-00088-x.pdf
[2] Li, L. et al. Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back. npj Robotics (2022).
[3] Nyakatura, J. A. et al. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355 (2019).
[4] Bels, V. L. & Russell, A. P. (eds.) Convergent Evolution: Animal Form and Function. Springer (2013).

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資訊源 | Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

文 | 李雁羽 李磊

編輯+排版 | Linda Wong

日期 | 2026年5月5日

聯系小編 | editor@oceanbiodiversity.cn

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