当一个结松开时，它往往不是慢慢散掉，而是伴随“啪”的一声突然弹开。宾夕法尼亚大学的工程师正是从这一日常现象出发，重新审视“结”的作用。他们不再把结只看作承受拉力的被动结构，而是提出一个新问题：如果专门设计一种“用来释放张力”的结，会发生什么？

答案是一种微型柔软机器人：它由细如发丝的纤维打结而成，受热后能猛然跳起数米，在空中翻转、像螺旋桨一样自旋，甚至滑翔回到起点。

这项研究发表在《科学》（Science）杂志上，由宾夕法尼亚大学材料科学与工程系 Joseph Bordogna 教授、系主任杨澍以及博士后研究员洪耀业领衔。核心结构是一根直径不足 1 毫米的复合纤维：内部是提供强度和刚性的凯夫拉纤维芯，外层包覆液晶弹性体（LCE）外壳，赋予其柔韧性、对温度的响应性以及可编程形变能力。两种材料结合后，在扭转和打结时可以储存大量弹性能，并在加热时瞬间释放。

“人们通常把结看成被动的纤维结构，”杨澍说，“但如果精心设计弹性和材料，结本身就可以变成一个主动系统。”

像“闩锁弹簧”一样的结

这个系统的工作方式类似一个被闩锁锁住的弹簧，其中“闩锁”就是结本身。当温度升高到约 60–90 摄氏度时，LCE 外壳收缩并发生解扭，使结略微松动，从而触发快速解结。在不到一秒的时间里，纤维中储存的弹性能被迅速转化为剧烈的机械运动。

这种释放极具爆发力：一个只有几毫米长的结，就能跃起近两米高，相当于自身长度的数百倍。

这一机器人概念源于洪耀业对扭曲纤维在应力下行为的基础研究。后来，团队尝试将纤维打结，发现结的存在带来了额外的“可编程维度”，成为实现复杂运动的关键。

通过改变结的拓扑结构、材料组合，以及在打结前对纤维施加的预扭转方式，研究人员可以精细调控机器人在起跳后的运动模式，使其不仅“跳得高”，还“跳得可控”。

“打结让我们能储存更多能量，”洪耀业解释，“而通过改变结的拓扑结构，我们可以控制能量释放的具体方式。”

在数学上，结的拓扑结构描述的是一个闭合环在三维空间中的缠绕方式。不同的结形对应不同的运动：

• 简单的单结会在解开时产生翻转动作；
• 八字结会带来明显的旋转；
• 更复杂的结则可以分阶段解开，形成一连串类似空中体操的连续动作。

仿生翅膀：从跳跃到滑翔与回旋

在结上加装“翅膀”后，研究人员把对运动的控制从地面延伸到了空中。受枫树种子自旋下落的启发，团队在纤维上附着了薄片状的翼面。通过调整翅膀在结上的安装位置，机器人可以沿弧线向前飞行并远距离着陆，或者像回旋镖一样绕一圈飞回起点。

在这些微型机器人中，翅膀不仅提供空气动力学上的升力和稳定性，保证下降过程中持续自旋，更关键的是，它们能把起跳时产生的巨大动能有效转移到一根细杆上，使其几乎垂直“钻”入土壤，产生极高的局部压力——这正是高效播种所需要的。

这种行为直接指向该系统最具潜力的应用之一：自动种植种子。

团队此前曾研究过由吸湿木质单板制成的自埋种子载体。那种设计依靠螺旋尾巴在吸水后缓慢扭转和解扭，驱动种子逐渐钻入土壤。但在真实环境中，这种依赖降雨激活的机制表现并不稳定。

“暴雨可能把种子冲走或损坏，而不是帮助它钻入土壤，”杨澍指出，“在干旱环境下系统又根本无法启动。而且，雨水驱动的缓慢运动让较大的种子载体难以牢固扎根，这对成功发芽非常关键。”

新系统则用热量取代了水分作为触发信号。阳光在多数环境中比降雨更可预测，地表温度在炎热地区也很容易达到激活纤维所需的温度区间。

“我们不一定总有雨，但几乎总有阳光，”杨澍说。

实验表明，跳跃结系统在着陆瞬间产生的穿透压力约为此前雨水激活种子载体的 30 倍。在早期测试中，研究人员将松树和芝麻菜种子固定在这些跳跃结上。机器人落地并钻入土壤后，种子成功发芽，展示出在自主造林和农业播种方面的应用前景。

从好奇出发的材料协同

这项研究一开始并没有明确的应用目标，而是源于对材料行为的纯粹好奇。

“我们通常是从探索有趣的物理现象开始，”杨澍回顾，“然后再问自己：能把它推到什么程度？能不能用来解决现实问题？”

一个关键转折点是团队在纤维中引入了凯夫拉芯。额外的刚性让纤维能储存更多弹性能，使跳跃高度从约 1 米提升到接近 2 米，其表现已接近一种生活在土壤附近、依靠弹跳逃生的微小六足昆虫——弹尾虫的跳跃能力。

这种性能提升来自材料间的协同作用：

• 凯夫拉负责提供高强度和抗变形能力；
• 液晶弹性体则负责对温度作出形变响应，驱动系统动作。

“它们几乎处在材料性能光谱的两端，”洪耀业说，“凯夫拉带来刚性，LCE 提供热致驱动。两者结合，产生了传统软体机器人难以实现的动态行为。虽然我们已经证明这种耦合是有效的，但未来还可以进一步优化材料组合，以实现不同功能。”

未来：更环保、更低温、更自主

目前的设计仍是一个用于研究基础物理的模型系统，采用的是成熟、易获取的材料。研究团队计划在后续版本中引入更环保的组件，尤其是在考虑大规模户外部署时。同时，他们也在尝试降低激活温度，并改进纤维与不同类型土壤之间的相互作用。

更长远的目标，是构建一整套由小型自适应机器组成的系统，它们可以在复杂环境中运行，而无需电子元件或外部电源。

“这只是更大系统中的一个模块，”杨澍表示，“我们还在思考如何运输种子、如何管理水分，以及如何适应不同的环境条件。”

自然界持续为这项工作提供灵感：

• 结的跳跃高度与昆虫的运动尺度相呼应；
• 翅膀的设计借鉴了带翅种子的空气动力学；
• 与生物学家和其他学科研究者的合作，则帮助团队把自然策略转化为工程方案。

对洪耀业而言，这种跨学科视角至关重要：

“我们从生物如何解决问题中学习，”他说，“再去理解背后的力学原理，然后通过耦合新材料，用新的方式把这些策略应用出来。”

这一次，灵感来自一个看似再普通不过的对象——结。研究表明，在合适的材料和设计下，即便是最基本的缠绕结构，也能被“唤醒”，成为一台功能强大的微型机器。