蠕蟲與彈簧啟發軟性機器人突破性進展

喬治亞理工學院的研究人員達成了一項驚人壯舉：他們研發出長約5英寸（12.7公分）的軟體機器人，雖無腿部結構，卻能將自身拋向10英尺（3公尺）高空，達到籃球框的高度。此設計靈感源自不起眼的線蟲——這種比人類頭髮更細的微型圓蟲，以能跳躍自身體長數倍的距離而聞名。

這種蠕蟲透過將身體緊密捲曲儲存彈性能量，隨後突然釋放能量，像雜技演員般朝天空或後方躍起。工程師們運用「SoftJM」機器人複製了此動作——該機器人由柔軟矽膠桿體構成，內部嵌有堅硬的碳纖維脊柱。透過改變彎曲方式，機器人能向前或向後躍起，全程無需輪子或腿部。

運作時，這款仿生機器人會如起跑架上的短跑選手般蜷縮蓄力，隨即爆發性伸展完成跳躍。高速攝影揭示：跳躍時蠕蟲會向上彎曲頭部並扭曲中段向後躍起，接著伸直軀幹並扭曲尾部向前彈射。

喬治亞理工團隊發現，這種在軟管或電纜中通常會造成問題的急劇彎折，反而讓蠕蟲與機器人能儲存更多能量。研究人員解釋道：彎折的吸管毫無用處，但彎折的蠕蟲卻如同蓄能的彈簧。 在實驗室中，這款軟體機器人成功複製了此機制：它捏住自身中段或尾部積蓄張力，隨後在約十分之一毫秒的爆發性釋放中騰空躍起。

軟性機器人崛起

軟性機器人學雖屬新興領域，卻發展迅猛，其靈感常源自自然界。不同於剛性金屬機器，軟性機器人採用可擠壓、伸展並適應環境的彈性材料製成。 開創性成果包括哈佛大學的「章魚機器人」，這款完全自主的機器人以章魚肌肉系統為靈感，全由矽膠與流體通道構成，不含任何剛性部件。此後工程師們開發出形形色色的軟機器，從蠕蟲狀爬行器、凝膠抓取器到可穿戴外骨骼，乃至藤蔓啟發的滾輪裝置。

例如耶魯大學研究人員設計的烏龜仿生軟機器人，其四肢能自由切換為軟質鰭狀肢與剛性「陸地腿」，實現游泳與行走雙重功能。加州大學聖塔芭芭拉分校科學家則創造出藤蔓狀機器人，僅憑光敏「皮膚」便能朝光源生長，如植物莖幹般穿梭狹窄空間。這些仿生創新充分展現軟質材料如何開創全新運動形態。

倡導者主張軟性機器人能進入傳統機器人無法觸及的環境。美國國家科學基金會強調，適應性軟機器能「探索前所未及的空間」，包括人體內部。部分機器配備可程式化「皮膚」，能改變硬度或顏色以實現偽裝或抓握功能。工程師們亦正探索摺紙/剪紙技法與形狀記憶聚合物等技術，使這些機器人能即時重構自身形態。

工程學中的柔性運動

設計能如動物般活動的軟性機器人面臨重大挑戰。在缺乏剛性關節或傳統馬達的情況下，工程師必須仰賴材料特性與智能幾何結構。例如喬治亞理工學院的跳躍機器人，需在橡膠體內嵌入碳纖維脊柱以產生足夠彈力。感測器與控制系統的整合同樣複雜，賓州州立大學工程師指出，傳統剛性電子元件將使軟性機器人失去活動能力。

為使小型爬行救援機器人具備「智能」，研究團隊在機體各處精細佈置柔性電路以維持靈活性。供電同樣是難題：部分軟機器人採用外部磁場或加壓空氣供能，因攜帶重型電池將阻礙其行動。

喬治亞理工學院研發的線蟲啟發式軟體機器人（攝影：坎德勒·霍布斯）

另一道難關在於運用正確的物理原理。線蟲機器人團隊發現彎折點具有益處——標準橡膠管遇彎折點會阻斷流動，但在軟質蠕蟲狀軀體中，彎折點能逐步積聚內部壓力，使軀體在釋放前達到更大彎曲幅度。 透過水充氣球模型進行的模擬與實驗，研究人員證實其柔性設計能在彎曲時儲存大量彈性能量，並於快速躍起時釋放。成果令人驚嘆：機器人僅需彎曲脊柱，便能從靜止狀態反覆躍起十英尺高。這類在彈性材料中儲存與釋放能量的突破，正是軟機器人工程的標誌性成就。

現實世界的跳躍者與幫手

這些軟性機器人具備哪些實用價值？理論上，它們能在剛性機器無法進入的危險或狹窄環境中運作。例如在災區，軟性機器人能蠕動穿過瓦礫或進入倒塌建築物尋找生還者。賓州州立大學展示的磁控軟性爬行器原型，不僅能穿越密集碎片，甚至可進入血管大小的通道。

在醫療領域，微型軟機器人可實現體內藥物精準輸送。麻省理工學院研究構想出纖細如絲的軟機器人，能沿動脈清除血栓，有望在無需侵入性手術的情況下治療中風。哈佛研究團隊則致力開發軟性穿戴式外骨骼，例如輕量充氣袖套，曾協助肌萎縮性側索硬化症患者抬起肩膀，瞬間改善其活動範圍。

太空機構同樣關注軟體跳躍機器人。輪式機器人易陷於沙地或岩石，但跳躍機器人能跨越隕石坑與沙丘。美國太空總署正構思適用月球及冰凍衛星的新型跳躍機器人，其中名為SPARROW的足球大小機器人，將利用冰層蒸發產生的蒸汽噴射，在木衛二或恩克拉多斯表面跳躍數英里。 在這些衛星的低重力環境中，微小躍動即可跨越巨大距離——地球上的一米躍躍，在恩克拉多斯足以推動機器人前進百米。願景是讓成群的跳躍機器人「完全自由」地穿越外星地形，而輪式探測車在此處將陷入動彈不得的困境。在地球上，未來的軟跳躍機器人可協助搜救任務，跨越常規機器人無法通過的河流、泥濘或不穩地面。

軟性機器人亦在工業與農業領域嶄露頭角。美國國家科學基金會指出，其接觸人體時會產生形變的特性，使其成為工廠與農場中安全的協作助手。研究人員甚至開發出能輕柔採摘嬌貴水果而不造成損傷的軟性夾爪。這類機器固有的柔韌性，使其能在剛性裝置難以進入的狹小或可彎曲空間中運作。

專家最終相信，軟性機器人技術將革新眾多領域。從蠕蟲到穿戴式機器服再到月球跳躍車，這項研究線索彰顯了如何透過微小生物的研究，推動科技實現巨大飛躍。