哈工大李兵/李曜教授团队研发蝗虫肌肉驱动器，实现生物混合机器人超低功耗跳跃

研究背景：微型机器人的“力量困境”

微型跳跃机器人在狭小空间探测、灾后搜救等场景中具有独特优势，但传统设计始终受限于两大瓶颈。一方面，基于弹簧等弹性储能机制的驱动器在微型化后难以积累足够能量实现有效跳跃，且复位机制会带来额外能量损耗；另一方面，压电材料、介电材料等制成的低功耗驱动器虽能降低能耗，却无法提供跳跃所需的爆发性动力。

生物界为解决这一难题提供了灵感——蝗虫等小型动物凭借强大的后腿肌肉与关节，能实现远超人工系统的跳跃效率。此前科研人员曾尝试直接利用完整生物体或培养肌肉组织构建驱动器，但前者受限于生物神经系统的自主性，后者则存在爆发力不足、需依赖培养液维持活性等问题，始终未能实现实用化突破。而蝗虫在紧急情况下会主动断肢，这些遗弃后腿即使是在空气中仍能保持数小时收缩响应活性，为生物混合跳跃驱动器的研发提供了理想的天然材料。

研究进展：2克机器人实现18倍体长跳跃

研究团队创新性地将蝗虫遗弃的后腿改造为生物肌肉驱动器，通过电刺激协议优化与人工机器人系统的协同整合，实现了三大核心突破：

（1）生物混合跳跃机器人展现出惊人的跳跃能力。通过精准调控电刺激参数，机器人可完成最高18倍体长、7倍体高的动态跳跃，性能超越多数人工合成驱动器。其秘密在于蝗虫后腿天生的肌肉结构，为爆发式跳跃提供了天然的生物力学基础。

（2）驱动器仅需0.03毫瓦的超低输入功率，远低于传统微型跳跃机器人1000-4000毫瓦的功耗水平。这一优势源于独特的能量供给模式：外部电信号仅作为触发信号，跳跃所需的动能主要来自肌肉组织内储存的生化能量，使得能量转换效率远超纯人工系统。

（3）操控上具备高度灵活性。通过调节左右后腿驱动器的电刺激时间差，可实现4°至63°的转向跳跃，转向响应延迟仅1.5毫秒，比蝗虫活体响应更迅速。此外，机器人还具有自主扶正功能设计，可以实现连续跳跃。

研究意义：开辟生物混合机器人新路径

该研究的创新之处不仅在于微型跳跃机器人的性能突破，更在于构建了人工驱动器与生物驱动器相融合的全新范式。与传统人工驱动器相比，生物混合的驱动方式充分利用了生物组织的天然优势，在体积、重量、能效和爆发力之间实现了完美平衡。

未来展望：从实验室走向多场景应用

本研究通过生物肌肉与人工驱动器的创新融合，为微型智能设备突破性能瓶颈提供了全新技术路径，其核心价值在于打通了生物天然优势与工程可控性的协同通道。未来，基于这一生物混合驱动模式，一方面可进一步优化“生物肌肉-人工组件”的适配体系，例如结合生物相容性封装材料，提升驱动系统的稳定性与使用寿命，让生物混合驱动器在复杂环境中具备更可靠的作业能力；另一方面，该技术思路有望拓展至多类型生物肌肉与人工驱动元件的组合研发，比如利用不同昆虫肌肉的运动特性，搭配微型电机、压电元件等人工模块，开发出兼具跳跃、爬行、抓取等多功能的微型机器人，为狭小空间探测、精准医疗递送、精密设备检测等场景提供定制化驱动解决方案，同时也为低功耗智能设备的设计提供新的技术范式。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0943