可现场编程的机器人折叠薄片：基于电热响应系统的动态形态重构技术

研究人员针对传统折叠机器人铰链结构固定的局限性，开发出基于电热响应系统的二维可编程折叠薄片。该技术通过分布式电阻网络实现加热与温度传感双重功能，结合闭环控制算法，实现了折叠区域、方向和角度的动态调控，为自主机器人系统提供了形态自适应新方案。

　　

在机器人技术快速发展的今天，如何让机器系统具备类似生物体的形态适应能力一直是科学界的重大挑战。传统折叠机器人依赖预设的固定铰链结构，虽然能实现特定形态变化，但一旦部署后就无法根据环境需求动态调整。这种"一次性编程"的特性严重限制了机器人在复杂场景中的应用潜力，特别是在太空探索、灾难救援等需要高度自主性的领域。

韩国科学技术院（KAIST）的Hyunkyu Park和Yongrok Jeong等研究人员在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们开发出全球首款可现场编程的机器人折叠薄片系统，通过创新的电热响应材料架构和分布式控制算法，实现了部署后仍可动态重构的折叠能力。这项技术将传统"静态铰链"转变为"动态可编程铰链"，为下一代自主机器人系统提供了全新的形态适应范式。

研究团队采用了三项核心技术：1）构建由镍铬合金电阻网络组成的分布式功能基底，每个电阻单元兼具加热器和温度传感器双重功能；2）开发基于遗传算法的脉宽调制（PWM）策略，实现多区域独立温度控制；3）创建电阻网络成像（RNI）技术，通过深度学习实现温度分布的实时监测与闭环控制。这些技术协同工作，使6.3×6.3 cm的聚二甲基硅氧烷（PDMS）/聚酰亚胺（PI）复合材料薄片能在0.1 Hz带宽内完成精确形态编程。

在材料设计方面，研究通过微观有限元分析验证了SU-8微米柱增强的PDMS/PI双层结构。这种设计产生了显著的横向热膨胀差异（α=45 vs 340 ppm/K），配合网格排列的刚性微米柱，实现了双向弯曲曲率达±2.11 cm^-1（对应±109°折叠角）。温度分布测量显示82.8±6.80%的变形集中在激活区域，证实了良好的空间分辨率。

控制系统创新体现在三个方面：首先，将形态指令分解为可叠加的模块化基元，通过遗传算法解码为电极电压组合；其次，采用8 ms周期的PWM驱动，实现线性温度调控（R²>0.993）；最后，开发的RNI技术以15 ms/帧的速度重建温度场，相比红外热成像克服了视觉遮挡限制。频率响应分析表明，闭环控制将系统带宽从<0.03 Hz提升至0.1 Hz，相位滞后减少到-55°。

应用验证展示了该技术的多功能潜力。在抓取测试中，单个薄片可动态调整为多足抓取、缠绕、捏取等多种模式，最大负载重量比达4:1。运动实验中，通过时序控制不同形态基元，实现了爬行（26.44 mm/次）、波动（8.85 mm/次）等仿生运动。特别值得注意的是，系统在风速变化和±15°C环境温度波动下仍能保持形态稳定性，展现出优异的鲁棒性。

这项研究突破了传统折叠机器人的固有限制，首次实现了部署后的动态形态编程。其意义不仅在于技术层面的创新，更在于为自主机器人系统提供了一种"形态智能"的新范式——通过材料、传感与控制的深度融合，使机器系统能像生物体一样根据环境需求实时调整自身形态。未来随着材料力学性能的进一步提升和系统集成度的优化，这项技术有望在太空可展开结构、智能医疗设备等领域产生更广泛影响。正如研究者所言，这标志着机器人工程开始从"预设形态"向"现场可编程形态"的重要转变。