猎豹的强劲奔跑、蛇的轻盈滑行以及人类灵巧的抓握，都源于软组织和硬组织间的无缝相互作用，肌肉、肌腱、韧带和骨骼协同工作，为复杂动作提供能量、精准度和活动范围。在机器人技术中，复制这种肌肉骨骼的多样性极具挑战性，此前使用多种材料的3D打印虽能模拟生物组织多样性，但无法连续控制机器人结构的关键特性，如刚度或承重强度。

如今，由乔西·休斯领导的洛桑联邦理工学院(EPFL)工程学院计算机器人设计与制造实验室(CREATE)团队，开发出一种创新晶格结构，将生物组织的多样性与机器人控制和精度相结合。该晶格由简单泡沫材料制成，由多个可通过编程调整形状和位置的独立单元(细胞)组成，这些细胞能呈现超一百万种不同配置，甚至可组合成无限几何变化。

博士后研究员关庆华称：“我们利用可编程晶格技术构建了一个受肌肉骨骼启发的大象机器人，它有柔软的鼻子，可扭转、弯曲和旋转，还有更坚固的髋关节、膝关节和足关节。这表明，我们的方法为设计前所未有的轻量化、适应性强的机器人提供了可扩展的解决方案。”该研究发表在《科学进展》上。

该团队的可编程晶格可使用两种主要细胞类型(具有不同几何形状)进行打印，即体心立方(BCC)细胞和X - cube细胞。每种细胞类型用于3D打印机器人“组织”时，生成的晶格具有不同刚度、变形和承重性能。CREATE实验室还允许打印由混合细胞组成的晶格，其形状介于BCC和X - cube之间。博士生戴本辉表示：“这种方法能实现刚度分布的连续空间融合，允许无限范围的混合单元，特别适合复制象鼻等肌肉器官的结构。”

除了调节细胞形状，科学家还能编程它们在晶格中的位置，沿细胞轴线旋转和移动(平移)，细胞甚至可相互叠加形成全新组合，使最终晶格拥有更广泛机械性能。一个包含四个叠加细胞的晶格立方体可产生约400万种可能配置，五个细胞则超7500万种。对于大象模型，这种双重编程能力使制造几种具有独特运动范围的不同组织类型成为可能，包括滑动平面关节、弯曲单轴关节和双向弯曲双轴关节。团队还能复制大象肌肉躯干的复杂运动，同时保持平滑和连续过渡。

休斯表示，除修改泡沫材料或加入新细胞形状外，独特的泡沫晶格技术结构为未来机器人研究提供诸多可能。“像蜂窝一样，晶格的强度重量比可非常高，能制造出非常轻巧高效的机器人。开放式泡沫结构适合在流体中运动，还可在结构中包含其他材料(如传感器)，进一步增强泡沫的智能性。”

更多信息：Qinghua Guan 等，晶格结构肌肉骨骼机器人：利用可编程几何拓扑和各向异性，Science Advances(2025)