软体机器人因具备高度柔韧性和可变形能力，能够抓取和操控精细物体，在医疗植入、体内药物输送以及危险环境探测等领域展现出巨大潜力。然而，这类系统往往依赖刚性机械部件或外接动力与控制装置，限制了其应用场景与集成度。

普林斯顿大学的工程师团队近期提出了一种全新的软硬混合机器人方案：无需电机或外部气动系统，仅依靠材料本身与嵌入式电子元件即可实现运动和形变。研究人员将可打印的液晶弹性体、柔性电子电路以及源自折纸艺术的折叠结构有机结合，构建出可编程、可重复驱动的软体机器人平台。

在3月20日发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）的一篇论文中，由 Emily Davidson 和 Glaucio Paulino 教授领导的团队报告，他们利用3D打印技术制备出一种可重新配置的软体机器人。这种机器人能够在多次循环驱动下保持稳定性能，几乎没有明显退化。

作为演示样机，研究人员制作了一个折纸经典造型——鹤形软体机器人。通电后，机器鹤的翅膀可以有节奏地拍动。其运动并非依赖电机，而是通过对聚合物局部区域进行定向加热来控制翅膀的开合与振动。实验结果表明，这一系统可以实现精确、可重复的运动，并在实时可编程的控制序列下恢复到初始形态，且在多次循环后仍无明显磨损或永久变形，这一特性对未来实际应用至关重要。

制造从3D打印与特殊聚合物开始

整个系统的构建始于一种可熔融打印的特殊聚合物——液晶弹性体。研究团队使用 Davidson 定制的3D打印机，将熔融聚合物打印成具有特定图案的区域。尽管宏观上材料柔软，但液晶弹性体内部分子呈有序排列结构。

Davidson 团队在两方面具备优势：一是通过分子设计调控液晶弹性体的内部结构，二是通过打印工艺控制聚合物的纳米级取向（即分子取向）。这两点对本项目的成功至关重要。

研究人员通过编程控制打印机，在打印过程中改变聚合物分子取向，使打印出的每个图案区域内部具有统一且可设计的分子排列。随后，通过将这些区域以不同方式堆叠和连接，他们在材料中构建出“铰链”结构，使其在加热时按照预先设定的方式弯曲和折叠。

在打印过程中，团队还将柔性电子元件直接嵌入这些铰链区域。柔性印刷电路板可以与打印材料一体成型，无需后期单独安装电路，从而简化了制造流程，并提高了电路与机器人本体在结构和功能上的一体化程度。

Davidson 指出，本研究的关键突破在于：将3D打印的液晶弹性体与可商业化生产的柔性印刷电路板实现紧密集成。通过对液晶弹性体铰链和柔性电路板进行协同设计，团队得以构建出真正意义上的软硬混合机器人，并实现对其运动的精细控制。

印刷电路板精确控制局部加热驱动

嵌入材料内部的柔性电路板，使研究人员能够对聚合物结构的特定区域进行精准加热，并借助内置温度传感器实现闭环控制。加热过程利用了液晶弹性体的可编程结构：当温度升高时，材料会按照预先设计的方式收缩，从而在铰链位置产生折叠与弯曲。

为了确保变形只发生在铰链处，而不会影响其他区域，研究人员在聚合物铰链之间的柔性电路上加入了轻质玻璃纤维板，用以增强这些区域的刚度，避免非预期弯曲。

在运动控制方面，团队采用源自折纸图案的数学方法，通过对折叠与展开序列的编排来控制机器人整体的形变路径。Paulino 团队在将折纸设计应用于医疗植入物、建筑构件以及机器人系统方面处于国际前沿。其近期相关工作包括：利用折纸结构在复杂路径中导航的分段软体机器人、可在磁场中变形并自适应重构的机器人，以及用于信息加密和机械计算的可编程折纸系统。

Paulino 表示，本次设计的一大特点在于：控制机器人运动的软件会利用折纸结构中嵌入的温度传感器，对机器人在反复变形过程中产生的小误差进行补偿。具备自动纠偏能力，是提升软体机器人耐久性和可靠性的关键因素。

项目源于本科毕业研究

这一新型机器人系统的雏形源自 David Bershadsky 在普林斯顿大学的本科毕业论文项目。Bershadsky 目前在德克萨斯大学奥斯汀分校攻读研究生，并于2024年获得普林斯顿电气工程学士学位。

他回忆说，自高中起便对机器人学充满兴趣，曾尝试开发能够改变整体尺寸的群体机器人单元。进入普林斯顿后，他希望在这一方向上进一步拓展。

“我在寻找一种方法，可以轻松且反复地制造基于体积变化的单元结构。”他说。

在调研过程中，Bershadsky 认为液晶弹性体非常适合作为这类机器人系统的基础材料，于是向材料专家 Davidson 教授寻求建议。Davidson 对这一想法十分感兴趣。

“她建议我去上 Paulino 的折纸工程课程，以系统了解相关背景知识。”Bershadsky 说。该课程的一位助教是 Paulino 实验室的博士后研究员赵拓，他后来参与了本研究并成为论文合著者之一。

面向可制造性的技术整合

Bershadsky 将这项工作概括为“材料科学与机器人学的深度整合，重点在于提升制造可行性”。

“我认为我们最大的贡献，是展示了一个复杂系统的整体集成，并实现了局部加热的精确控制。”他说，“我们可以根据加热位置来选择性激活不同区域。”

在验证机器人系统可行性的同时，Bershadsky 还开发了一款软件工具，供设计者用来构建自己的机器人结构。该工具已在实验室的 GitHub 上公开，并随论文的数据集一同发布，方便其他研究人员复现与扩展。

多技术集成带来的挑战

谈及项目中最具挑战的部分，Bershadsky 坦言：“说实话，人们常说系统集成是最难的环节，而这个项目本质上就是把多种不同技术整合到一起。”

从可编程液晶弹性体材料，到柔性印刷电路板，再到折纸结构设计与闭环控制算法，这一软硬混合机器人平台展示了多学科交叉融合的可能性，也为未来可打印、可编程、无需外部刚性驱动的软体机器人系统提供了新的技术路径。