机械智能机器人

        实验室开展了多种类型机器人的研究，我们的设计理念是在满足机器人功能需求的基础上尽可能简化其的结构与驱动手段。为此，我们在机器人的设计中引入了智能材料、折展结构以及仿生学的研究方法。

1 恒湿驱动薄膜机器人

        基于智能材料开发的软体机器人能够对环境中的光、热、磁、湿度等刺激做出反应，实现特定运动与功能，是机器人领域的研究热点之一。目前此类软体机器人设计中一个重要挑战是在如何在高度集成机器人本体结构、执行器和能源的同时，在无人为干预的恒定外界环境中实现快速运动以及多种功能。
        针对这一问题，通过交叉学科的合作，我们利用琼脂糖（AG）薄膜的湿度敏感特性，研究出了一种可以在恒定湿度条件下连续快速运动的软体机器人Hydrollbot。该机器人通过结构设计克服了薄膜各向同性和随机弯曲的问题，直线运动速度达到0.714 BL/s，将恒定湿度驱动的机器人速度提高了两个数量级，高于已报道的变湿度响应机器人，同时能够负载自身重量的100%，并且实现了运动轨迹的可编程设计。

轨迹可编程机器人Hydrollbot

        为进一步提高恒定环境驱动的软体机器人的速度，我们提出了一种双螺旋机器人Dualicalbot。通过两组手性相反的螺旋结构交替驱动，其变形后无需经历单独的构型恢复阶段，从而显著提高了运动速度。该机器人在恒定湿度环境中以每秒5.8倍体长的快速滚动，超过现有恒定环境驱动的软体机器人的最高速度4.8倍，且能够携带100%自重的负载运动并可用于环境酸碱性检测。

双螺旋机器人Dualicalbot

        此外，我们基于莫比乌斯（Möbius）带的拓扑结构，开发出了一类可在恒定的环境中持续运行的三重对称莫比乌斯机器人。结合可展曲面与扩散理论而构建的物理模型，揭示了其在湿度梯度下的形状保持和持续运动机制。实验证明，该机器人可实现超252小时的自主周期性运动并持续输出机械功，并对环境湿度进行动态感知。

三重对称Möbius机器人

        上述研究提出的结构设计和理论建模方法为环境驱动软体机器人的结构设计提供了多学科交叉研究的新思路，为先进机器人系统中的前沿应用提供了广阔前景，有望推动湿度驱动软体机器人在医疗、传感、驱动等方面的应用。

  • Lei Fu#, Weiqiang Zhao#, Jiayao Ma#, Mingyuan Yang, Xinmeng Liu, Lei Zhang*, Yan Chen*. A Humidity-Powered Soft Robot with Fast Rolling Locomotion. Research, 2022, 2022, 9832901.
    (https://doi.org/10.34133/2022/9832901)
  • Chuhan Xu#, Jiayao Ma#, Lei Fu, Xinmeng Liu, Lei Zhang*, Yan Chen*. An Ultra-Fast Rolling Double-Helical Robot Driven by Constant Humidity. Advanced Science, 2025, 12(23), 2500577.
    (https://doi.org/10.1002/advs.202500577)
  • Xiaochen Yang#, Weiqiang Zhao#, Jiayao Ma#, Zhiming Hu, Xinmeng Liu, Lei Fu, Chuhan Xu, Jiuan Lv, Lei Zhang*, Yan Chen*. Threefold Möbius Machine. Advanced Functional Materials, 2025, 35(23), 202420815.
    (https://doi.org/10.1002/adfm.202420815)

2 可折展机器人

        折展结构具有在最少自由度的情况下实现大幅度改变尺寸和形状的优异特性。三重对称Bricard机构是一种具有很好折展特性的6R过约束机构，我们将三重对称Bricard机构与机器人结合在一起，设计出了一种新型的折展机器人。它能够通过改变自身形状适应多重任务和多重工作环境的要求，在勘察、救援、以及航天中具有很好的应用前景。

三重对称Bricard机器人

3 仿生机器人

        通过对自然界中六足昆虫如蚂蚁、螳螂的观察发现，它们身体都是多节的，它们在遇到障碍物时会通过抬升前段身体增加其越障的能力。受该方式启发，我们设计了一种名为“HIbot”的身体躯干可动的六足爬行机器人。当机器人遇到障碍物时，前段身体会在前轮腿与障碍物之间的摩擦力作用下被动抬升。该机器人可在各种户外环境中爬行，如砾石，草地等。在轮腿和可动躯干的协助下，它还可以爬过高达有腿轮半径2.8倍的障碍物。这些特性使机器人在实际应用中具有巨大的潜力。

仿生六足机器人HIbot

        上述两种机器人因其可变形以及越障能力强的特性，适合用于安保和灾害的调查任务中。未来的工作将进一步从折展结构以及动物的身体与环境的相互作用行为中获取灵感，并研究机器人系统中机械智能和计算智能之间的合作策略。