自然界中，结并不只是束缚与缠绕的象征。从蠕虫团、藤蔓到蛋白质，拓扑结构都可能承担着储能、释放和引导运动的重要角色。如今，研究人员把“打结”这件看似普通的事，变成了一种全新的软体驱动器设计策略。

  近日，美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）杨澍（Shu Yang）教授团队和加州大学洛杉矶分校（UCLA）金丽华（Lihua Jin）教授团队合作提出了一类基于“绳结拓扑”编程的微型软体驱动器。

  2026年4月23日，相关研究以“Programming touch-me-not knot topologies for rapid and diverse leaping and flying motions”为题发表在《Science》上。本文通讯作者为杨澍（Shu Yang）教授，第一作者为洪尧烨（Yaoye Hong）。合作者还包括加州大学洛杉矶分校（UCLA）金丽华（Lihua Jin）教授、博士生刘伟轩（Weixuan Liu），以及来自宾夕法尼亚大学的Yinding Chi、Antonio Proctor Martinez、Bingzhi He、Ziyun Zhang、Kun-Yu Wang、Alexander Y. Wang。

  研究团队利用Kevlar凯芙拉增强液晶弹性体（LCE）复合纤维，制成毫米尺度的弹性绳结，在加热、轻微机械刺激亦或光热刺激下，这些小结会像“含羞草种荚”一样瞬间解开，把原本储存在结中的弹性能快速转化为动能，从而实现高跳、翻转、旋转，甚至进一步过渡到飞行。更重要的是，这种运动不是随机的。研究人员发现，只要精心设计结的拓扑结构，并结合液晶弹性体内部的分子各向异性，就能够“编程”起跳后的动作甚至飞行模式，让驱动器在腾空之后表现出不同的空中行为，例如后空翻、自旋以及分步骤的“体操式”连续动作。

一个小结，为什么能跳这么高？

  传统软体跳跃机器人虽然也会利用弹跃（snapping）特性，即弹性储能和快速释放，来放大性能，但在跳跃高度、可编程性以及从跳跃向飞行的过渡能力上仍然存在明显限制。文章指出，现有许多软体跳跃系统往往只能实现单一模式的起跳，很难在起跳后继续精确控制空中动作，更难以像昆虫那样兼具爆发式起跳与灵活空中机动。反之，金属型硬体机器人虽然机动性能强，但通常需要消耗很大的功率。

图1：LCE绳结的制作、跳跃过程以及解开的方式

  这项工作的关键在于将弹性引入通常柔软的结中，把“结的解开过程”变成快速弹跃（snapping），从而实现一种高效的能量释放机制。研究团队使用的复合纤维由Kevlar凯芙拉多单丝内核与 LCE 外壳 组成：前者提供高强度、高刚度和轻量化支撑，后者则通过预扭转赋予材料可编程的热致扭转可驱动能力。加热后，LCE 外壳沿预扭螺旋方向产生收缩应力，但 Kevlar 内核抑制了显著轴向收缩，于是整个纤维转而发生自发扭转形变，进而产生足以克服摩擦的驱动力，触发结的瞬时解开和弹跳。实验中，当一个 6.5 mm身长的绳结被加热到液晶向列相到各向同性相的转变温度以上（约 90 °C）时，这种 LCE 结可在毫秒内解开，并跃升1.8 米的高度；整个过程仅约 300 毫秒。对于毫米级器件而言，这样的表现十分惊人。

不只是跳得高，还能“按剧本”翻、转、连跳

  如果说高跳体现的是通过弹跃（snapping）实现的快速能量释放，那么更令人印象深刻的，是这项工作把运动模式也“拓扑编程”了。研究团队发现，结的形状和复杂程度会显著影响弹性势能中弯曲能与扭转能的分配，也会改变解结所需的“步数”。

  基于这一点，他们创造性地利用曲率、扭转及Frenet标架与材料标架的关系，简洁地统一了拓扑结构与液晶取向：一方面，用弯曲能（bending）和扭转能（twisting）之比来判断动作更偏向翻转还是旋转；另一方面，用拓扑变量“解结数”来决定动作是一步完成，还是分阶段展开。

图2：拓扑编程的多种绳结运动

  例如，某些结的拓扑更偏向弯曲能主导，因此在起跳后会表现为后空翻（flip）；而另一些结则由扭转能主导，起跳后会出现自旋转（spin）。当结的拓扑更复杂、解结数更高时，驱动器甚至可以表现出两步或三步连续动作：先完成第一次起跳，再在落地或中途继续解结，触发第二次、第三次跃迁，呈现出类似体操连招的时序行为。换句话说，这里“结”不再只是结构形态，而变成了一种能够决定动作剧本的编码方式。

从跳跃到飞行：用翻转来控制飞行轨迹

  更进一步，研究人员还尝试用不同的运动模式来编程绳结的飞行。为了增强绳结与空气的相互作用，团队在纤维上集成了不同形状的小翼结构。当翼与特定拓扑的结结合后，起跳后的翻转或旋转不再只是空中姿态，而会与空气动力学耦合，形成更复杂的飞行轨迹。

  比如，研究团队把叶片状翼平行安装在纤维上。起跳后，结会在空中翻转，而这种翻转会像陀螺进动一样不断改变翼面方向，使气动力持续偏转，最终形成类似回旋镖的返回轨迹。这种“自返回”飞行来自翻转运动、翼面法向气动力和进动效应三者之间的耦合。 另一种设计则利用自旋主导的结拓扑，配合弯折的平行四边形翼，实现带有自旋的飞行。由于旋转过程中翼面持续产生法向气动力，器件不仅可以在空中维持旋转，还能实现更稳定的垂直下降与定向着陆。

图3：自返回以及自旋飞行以及在森林再生方向的潜在应用

能落地、能钻土，甚至能播种

  这类运动并非只是“好看”。研究团队展示了一个很有想象力的应用方向：自埋式空中播种。当带翼自旋结构垂直下落时，旋转与下冲过程耦合，可为器件提供强有力的推进，使其直插入土壤。通过这种热力推动的无人驾驶播种机，研究人员成功实现了松树种子和芝麻菜种子的萌发，显示出其在森林再生中的潜力。原文还指出，这类结状致动器不仅能够在从地面起跳，还可从 水、沙和雪等不同表面环境中起跳，并可由热、光热、甚至光方式触发，表现出较好的环境适应性。

总结

  这项研究的意义，不仅在于做出了一个“跳得很高的小驱动器”，更在于它提出了一种新的设计范式：把拓扑结构、材料各向异性和快速能量释放统一起来，作为软体机器人运动编程的核心机制。过去，软体驱动器往往更多依赖材料本身、驱动方式或几何外形来操控动作；而这项工作表明，“结怎么打” 也可以成为预先控制运动模式的重要自由度。通过对结拓扑、弯扭耦合和解结数的系统设计，研究团队实现了从高跳、翻转、自旋，到返回飞行、垂直下降乃至自埋播种的一系列功能演化。

  对于软体机器人、智能材料、微型飞行驱动器乃至环境工程应用而言，这种“拓扑编码运动”的思路，可能为未来的高机动、低驱动要求、自主式微型驱动系统打开新的方向。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed0434