“ 形简而能广，体轻而手巧——一只9克的机器人，从一根头发到航发叶片，既能当手，也能当臂，还能当工具。
人的手为什么灵巧？靠的是骨骼加上一整套复杂肌肉系统的精密配合。想让机器复刻这份灵巧，传统做法是“照着抄”，例如模仿象鼻、章鱼触手、人手的结构。但结果往往是零件越堆越多，结构越来越复杂，控制也越来越难。
现在，来自中科院深圳先进技术研究院、南京信息工程大学、同济大学、香港中文大学（深圳）的研究团队选择了另一条路。他们提出了BioflexBot，不再模仿生物的“结构”，而是抽象并实现人手的核心“功能”。这项工作近日登上了《Advanced Science》期刊封面。
那么，这种“功能仿生”究竟能做到什么？它可以进入航空发动机内部完成叶片巡检，也能直接作为人形机器人的“手”，完成抓取、绕障和受限空间操作；从夹起一根直径90微米的头发，到抓取比自身大得多的物体，同一套机器人还能跨越精细操作与大尺度抓取。
01.
先看应用：巡检航空发动机，也能给人形机器人当“手”
作为一个轻量化模块，BioflexBot很适合被集成进各种系统。研究人员把两个模块串联，做成了一个自生长的内窥机器人：近端模块负责就近检查，远端模块延展自推进、把近端送得更深，成功完成了1:1航空发动机叶片阵列六个检查点的巡检，连传统方法难以触及的叶片尾缘都拍到了。
它还能直接充当人形机器人的手，完成日常抓取和绕障抓取，并伸入受限管道清理堵塞——这些都是常规人形手因工作空间限制难以完成的任务。
除了航空发动机巡检和人形机器人应用，研究人员还搭建了一套结合双目视觉与YOLOv8的自动化化学实验平台，让机器人自主完成取放烧杯、拧盖、用滴管取样等操作，成功复现了硫酸铜与氨水反应中先生成浅蓝色沉淀、再溶解转为深蓝色溶液的全过程。
02.
再看操作能力：从一根头发到跨尺度抓取
支撑这些系统应用的，是一套跨度很大的操作能力。BioflexBot按手指与手掌协同的复杂度，依次实现了捏取、旋转、勾取、指掌抓握四种基本功能。
在精细操作上，它能稳定捏住直径90微米的头发，可靠夹持的物体最大到15mm内径；还完成了两个考验力控精度的任务——捏住1.1mm的针尖扎入组织仿体进行穿刺模拟，以及操控移液枪完成液体的吸取、抬升和分配。旋转方面，它在一次连续动作里实现了最高690°的旋转，接近人手单次180°的四倍，可以拧开瓶盖，也能完成方形销钉的定向装配。
真正超出人手尺度的部分更有意思。凭借7:1的延展收缩比，BioflexBot能抓握内腔直径从30mm到210mm的物体，范围约为自身初始尺寸的七倍；它能作为远程操作臂，在机械臂底座不动的情况下拉开、推合抽屉；能以30mm的收缩直径穿过35mm的窄缝，抓取135mm外的剪刀；还能利用平面螺旋结构一次抓起多个物体，再按顺序逐个放下。
论文给出的一组对比很直观：BioflexBot的可抓物体尺寸范围超过其最小尺度的2300倍，比同等驱动数量的现有系统高出12.9倍。而它整体只有约9克重、成本约5美元，相比动辄500到50000美元的灵巧手，是一个轻量、低成本的补充方案。
在可靠性方面，机器人在反复充放气中，延展性能在约2000次后趋于稳定；卷簧在超过7000次后断裂，而气密性测试延续到10000次未见泄漏。结构破损后，还可以通过重新热压或贴补片快速修复。
03.
这么多功能，是怎么压进一套结构里的？
关键是把复杂能力压缩成三种基础形变。BioflexBot由双气腔与柔性卷簧构成，仅靠两路气动输入，就能实现延展、扩张和收缩。
三种形变可以在同一模块中承担不同任务：延展用于远距离到达和绕障，扩张用于包络式抓取，收缩用于夹持小尺度物体。通过组合这些动作，机器人把类人抓取、自适应生长的“上肢”和肢体–工具一体化集中到同一套机构中。
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三种形变背后的原理
为什么不直接复刻人手结构？人的手之所以灵巧，依赖骨骼和复杂肌肉系统的精密配合。如果按结构逐一“照抄”，零件、驱动和控制复杂度会迅速增加。BioflexBot因此采用功能仿生思路：不追求形态一一对应，而是用尽可能少的结构单元复现关键功能。
气动软体结构的一个老问题在于：气囊充气往往是对称膨胀的，难以做出复杂操作需要的非对称形变。团队的解法是在气囊里加入一根柔性卷簧作为“骨架”，利用气囊膨胀力与卷簧回复力之间的对抗关系，把非对称形变引入结构。多层卷簧设计还带来了一个关键指标——约7:1的延展收缩比，大约是人手的3.5倍。
骨架放在哪里，决定了机器人怎么动。骨架沿气囊上表面均匀分布时，充气会依次带来展平、纵向延伸、旋转和末端弯曲，这就是延展模式（对应气腔称为APU）；骨架分布在气囊两侧时，充气则产生对称的径向扩张，是扩张模式（气腔称为APL）。而给APL加上一层约束外壳，抑制径向扩张、让内腔闭合，就得到了收缩模式，可以夹持微小物体。
团队还对结构参数做了细致优化：APL采用底边15mm、20mm的梯形截面，使抓取直径提升到约75mm；卷簧厚度经反复测试，0.2mm为最优选择；APU则被拆分为双通道，以约束竖直方向膨胀，并改用体积（气量）控制来提升延展的均匀性。
05.
同一思路，还延伸到遥操作与四足机器人
这并不是一项孤立的工作。相关研究近期还在《IEEE Robotics and Automation Letters》发表了一款受天蛾口器启发的多模态软体夹爪。它同样采用双织物气腔加刚性螺旋弹簧骨架，最大可达深度210mm、最大脱附力7.5N。
与BioflexBot不同，这项工作重点设计了指戴式遥操作接口：通过手指弯曲与注入气量的映射来直觉化控制夹爪，并集成末端压力传感，实现接触检测与触觉反馈。研究人员还把整套系统装上四足机器人（小米CYBERDOG），在室内外完成树枝清理、废弃杯回收等受限空间作业。
两项工作的共同思路，可以用BioflexBot总结的四个“S”来概括：驱动简单（Simple）、功能智能（Smart）、成本合理（Sensible）、性能出众（Supreme）。核心并不是堆叠更多驱动，而是用更简洁的机械结构和设计获得更丰富的功能多样性。
当然，团队也指出，气动形变的非线性建模，以及从有线原型走向完全无缆的自主平台，仍是下一步需要解决的问题。
06.
两项工作背后的研究团队
上述两项工作由李英田团队、杨扬团队主导完成。李英田在相关工作开展期间任职于中国科学院深圳先进技术研究院，现任职于香港中文大学（深圳）；杨扬团队来自南京信息工程大学。
上文中相关论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.77443
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11661733
