官方网站-首页

【导语】在古老的神话中，哪吒凭借三头六臂的神通，灵活应对各种挑战，展现了非凡的战斗力和适应性。如今，这一科幻般的场景在浙江大学的邹俊教授课题组手中成为了现实。他们研发出了一种多能性无人机，通过柔性、可自修复、可重编程的化学动态生长策略，无人机能够在给定位置生长出不同的“器官”结构，进而实现功能的灵活变化。这一创新不仅拓展了无人机的应用场景，更为未来机器人的设计开辟了无限可能。本文将深入探讨这一研究的背景、原理、突破及应用，带您领略多能性无人机的非凡魅力。

在神话故事中，哪吒(zhā)通(tōng)过(guò)三(sān)头(tóu)六(liù)臂(bì)的(de)形(xíng)态(tài)，灵(líng)活(huó)应(yīng)对(duì)各(gè)种(zhǒng)挑(tiāo)战(zhàn)，展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)强(qiáng)大(dà)的(de)适(shì)应(yīng)性(xìng)和(hé)战(zhàn)斗(dòu)力(lì)。这(zhè)种(zhǒng)看(kàn)似(shì)科(kē)幻(huàn)的(de)场(chǎng)景(jǐng)，如(rú)今(jīn)在(zài)浙(zhè)江(jiāng)大(dà)学(xué)邹(zōu)俊(jùn)教(jiào)授(shòu)课(kè)题(tí)组(zǔ)的(de)努力下成为了现实。通过柔性、可自修复、可重编程的化学动态生长（以下简称“生长策略”），多能性无人机可以在给定位置生长出不同的“器官”结构，进而“分化”成一系列具有不同功能无人机，任务完成后，这些结构又可以被收回而消失不见。该“生长策略”不仅拓展了无人机的应用场景，也为未来其他机器人设计提供了无限可能。
该工作以“Accessing pluripotent drones through reprogramming of dynamic soft self-healing chemical growth” 为题发表于《国家科学评论》（National Science Review）。论文全部作者均来自杨华勇院士团队。

★研究背景★

传统无人机的功能一旦确定便难以改变，这种局限性制约了无人机在复杂多变环境中的应用。随着应用场景的不断拓展，无人机需要具备更强的适应性和多功能性。然而，现有的多功能实现策略，如增加执行器或变形，虽然在一定程度上提升了无人机的多功能性，但依然无法突破功能固定的瓶颈。

★受多能性细胞启发的多能性无人机★

多能性细胞（如干细胞）能够通过分化生成具有不同功能的组织和器官。这种生物多能性启发了无人机的设计，使其能够根据任务需求动态重编程自身结构和功能。传统无人机的功能一旦确定便难以改变，而多能性无人机通过生长特定的结构（如机翼、抓手或信号发射器）来实现功能的灵活变化。这些结构不仅可以在任务完成后收回，还能在受损时通过快速自修复恢复功能。

图1 受多能性细胞启发的多能性无人机

★动态柔性生长的重编程★

生长策略使无人机能够动态生长和收回特定的结构，以适应不同的任务需求。该方法通过三个标准实现：允许特定的结构在无人机的任何位置生长并可重新编程，对刺激具有高灵敏度以实时调整，以及在响应刺激后保持结构稳定并快速自修复。通过在结构内部植入多个横截面并使用热塑性聚氨酯（TPU）和低熔点TPU（HMTPU）的组合，利用温度场和压力场的控制实现结构的生长和变形。实验验证了该方法大范围、快速和轻量化的生长能力，且完全自包含。生长策略不仅使无人机能够灵活调整结构的形状和功能，还支持快速自修复，确保其在复杂环境中的可靠性和适应性。

图2 动态柔性生长的重编程

★快速自修复★

提出了一种受生物皮肤启发的快速自修复机制，通过多层功能膜的协同作用实现无人机特定结构的快速修复。外层的热缩膜（HSF）在受热时收缩并向伤口处堆叠材(cái)料(liào)，中(zhōng)间(jiān)的(de)弹(dàn)性(xìng)层(céng)（PMMA）提(tí)供(gōng)张(zhāng)力(lì)，愈(yù)合(hé)层(céng)（HMTPU）通(tōng)过(guò)分(fēn)子(zi)链(liàn)的(de)扩(kuò)散(sàn)和(hé)重(zhòng)排(pái)实(shí)现(xiàn)表(biǎo)面(miàn)修(xiū)复(fù)，而(ér)保(bǎo)护(hù)层(céng)（TPU）提(tí)供(gōng)深(shēn)层(céng)保(bǎo)护(hù)。实(shí)验(yàn)表(biǎo)明(míng)，该(gāi)机(jī)制(zhì)能(néng)够(gòu)在(zài)3.2秒(miǎo)内(nèi)完(wán)成(chéng)伤(shāng)口(kǒu)修(xiū)复(fù)，比(bǐ)传(chuán)统(tǒng)自(zì)修(xiū)复(fù)材(cái)料(liào)快(kuài)1000倍(bèi)以(yǐ)上(shàng)，并(bìng)在实际(jì)应(yīng)用中展示了优异的抗损伤能力，例如应对尖锐物体的刺穿。

图3 快速自修复

★化学驱动生长源★

微型无人机的负载能力较弱，传统的生长驱动源便携性较差。提出了一种基于可逆化学反应与热电材料的的化学驱动生长源，通过温度变化驱动化学反应生成气体实现特定结构的生长，温度降低时实现收回。该机制具有快速生长（速率15 cm/s）、轻量化（最轻 5 g）和远端驱动能力，适用于复杂环境（如水下和泥泞地形），显著提升了无人机的灵活性和适应性。

图4 化学驱动生长源

★预编程的无人机特定结构★

通过横截面、尺寸和轮廓的定制，可以实现不同形状和功能的特定结构。这些结构可以根据任务需求进行动态调整或切换，例如在低速飞行时生长矩形机翼以提高操控性，在高速飞行时生长流线型机翼以减少阻力。

图5 无人机特定结构的预编程

★多能性无人机应用展示★

多能性无人机可以像哪吒一样根据任务需求动态生长和收回特定的结构，实现功能的灵活调整和适应，从而在多种复杂环境中执行任务。多能性无人机构建固定翼、多旋翼和垂直起降（VTOL）等多种类型，展示了其广泛的适应性和实用性。

图6 多能性无人机的多功能概念图

通过生长策略，多能性无人机可以实现一系列运动功能，例如，固定翼的升力增强、水空两栖过渡、狭缝穿越、栖息等。

图(tú)7 多(duō)能(néng)性(xìng)无(wú)人(rén)机(jī)的(de)运(yùn)动(dòng)功(gōng)能(néng)

多(duō)能(néng)性(xìng)无(wú)人(rén)机(jī)还(hái)具(jù)备(bèi)强(qiáng)大(dà)的(de)作(zuò)业(yè)能(néng)力(lì)，能(néng)够(gòu)通(tōng)过(guò)生(shēng)长(zhǎng)特(tè)定(dìng)的(de)结(jié)构(gòu)完成复杂任务，如巡逻、传感器部署和信号传输等。

图8 多能性无人机的作业功能

图9 多功能化策略的对比

与以往的机器人设计范式不同，多能性无人机系统并非固定，其功能也不是固定的，而是可以按需实现任意功能的生长、消失和切换。因此，多能性无人机可以实现多种功能并应用于各种场景。与以往实现多功能无人机的策略（增加执行器和变形）相比，多能性无人机的设计理念更为先进，不仅涵盖了它们现有的功能，还实现了功能的消失和重构多能性无人机的设计理念还可以扩展到其他机器人系统，为机器人研究提供更多可能性。

★研究突破★

提出生长策略：受多能性细胞启发，提出了一种柔性、可自修复、可重编程的化学动态生长，使无人机能够动态生长和收回特定的结构，以适应不同的任务需求，解决了传统无人机功能固定的问题。

快速自修复能力：开发了快速自修复机制，使无人机的特定结构在受损后能够在3.2秒内完成修复，比现有类似材料快1000倍以上，显著提高了无人机在复杂环境中的可靠性和安全性。

化学驱动生长源：提出了一种基于可逆反应和热电材料的化学驱动生长源，通过温度变化驱动化学反应实现特定结构的生长和收回，具有快速、轻量化和远程驱动能力。

预编程形状定制：实现了无人机特定结构的预编程能力，能够根据任务需求动态调整或切换结构的形状和功能，适应不同的环境和任务需求。