一根几毫米长的“智能绳子”，能在毫秒间激烈地解开自身的绳结，像跳蚤一样将自己弹射到1.8米高空，还能完成后空翻、旋转，甚至像回旋镖一样飞回来。

这不是魔术，是本周刚刚发表在国际顶刊《Science》上的一项突破性研究，由宾夕法尼亚大学研究团队完成。他们揭示了一种全新的微型机器人驱动方式，通过“解结”来释放巨大能量，让软体机器人实现了前所未有的跳跃和飞行能力。

01.

核心秘密：当复合材料遇上绳结拓扑

传统微型跳跃机器人的痛点在于，既要足够柔软以变形储能，又要足够刚硬以承受冲击，还要足够轻巧。跳高纪录往往由笨重的刚性系统保持，而灵活的软体机器人跳得还不够高。

这项研究的巧妙之处，就在于它用“复合材料+绳结拓扑”的组合拳，优雅地解决了这个矛盾。

• 复合材料：一根“软硬兼施”的智能纤维

研究人员制造了一种特殊的复合纤维。它的“芯”是柔韧但超强、超硬的凯夫拉（Kevlar）单丝，而“皮”则是一层液晶弹性体（LCE），里面还掺入了碳纳米管和纤维素纳米晶体来增强性能。

这层LCE外壳就是动力的源泉。它内部的棒状分子（液晶基元）可以在特定排列下，受热时沿着排列方向收缩，而在垂直方向膨胀。通过在紫外固化时给纤维预先加上扭转，研究人员就将这种各向异性“写入”了材料，使其在受热时能产生强大的解捻驱动力。

这套“软壳硬芯”的组合，使得最终纤维的杨氏模量高达4.3 GPa，储能能力是纯LCE的143倍。

• 绳结拓扑：“解结”即飞跃

有了这根“软壳硬芯”的纤维，只需把它打成一个结，一个充满弹性能的“弹簧-扳机”系统就构建完成了。

当用热或光将其加热到约90℃时，LCE外壳软化并触发预存的扭转变形，产生足以克服摩擦力的驱动力。绳结会瞬间“解扣”，将储存的弯曲弹性能爆发式地释放，就像突然扣动扳机。

实验结果可以作为验证：一个长6.5毫米、直径1毫米的绳结，在314毫秒内就跳到了1.8米的高度，这个跳跃高度是其自身长度的近280倍，

快速跳跃的 LCE 结
 

性能不仅超越了几乎所有同类软体机器人，甚至可以与自然界中的跳蚤（跳跃高度约150倍体长）一较高下。

02.

用“绳结几何学”为运动导航

绳结“解扣”所释放的能量远不止跳得高，这项研究真正开创性的地方在于：绳结怎么打，直接决定了它腾空后做什么动作。

诀窍藏在两种能量的配比里。复合纤维被打成结后，内部同时储存了两种弹性能，弯曲带来的能量，和扭转带来的能量。二者谁占上风，决定了运动的类型。

弯曲能远大于扭转能，比如一个简单的不对称单结，解扣瞬间纤维会像甩鞭子一样挥动“长腿”击打地面，顺势完成一个后空翻。

扭转能占主导，比如一个8字结，纤维则围绕自身轴线高速旋转，像子弹一样弹射出去。

基于几何形状的跳跃捕捉
 

还有一个关键变量：解扣需要几步。

有些结一步就能解开，动作干净利落；有些结则要分好几步，像精心编排的序列。把几个单结串联起来，就能编排出一套腾空后先翻转、再旋转、最后解体弹飞的“空中体操”。

为多功能运动编程纽结拓扑结构
 

换句话说，研究人员把“打结”变成了一套运动编程语言：打什么样的结，就输出什么样的动作序列。

03.

装上翅膀：从回旋镖飞行到自播种

团队并未止步于跳跃。他们将这套运动控制能力进一步延伸到了飞行，给一个能后空翻的绳结装上聚酰亚胺叶子翼，致动器跃起后竟没有沿抛物线落地，而是画出一条三维曲线，像回旋镖一样飞回了起点附近。

其原理在于，后空翻产生的进动力矩与机翼两侧气流速度差产生的空气动力相互耦合，共同将飞行轨迹拉回。

若将机翼装在旋转型绳结上，则能实现稳定的空中旋转和垂直下降。这种下降的推力甚至足以让致动器自旋着“钻”入土壤。

研究团队展示了携带芝麻菜和松树种子的致动器，在钻入土壤几天后，芝麻菜种子仅用4天、松树种子7天后便成功发芽，为“空中自播种”提供了颠覆性的想象空间。

各种飞行模式
 

总而言之，这项研究将古老的“绳结”转化为一种全新的能量和信息编码手段，从储能、促发到多模态运动一气呵成。这或许开启了软体机器人设计的一个新范式——不仅模仿自然界的运动结果，更开始复刻其充满爆发力和多样性的运动过程。

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