论文标题为"Lattice structure musculoskeletal robots: Harnessing programmable geometric topology and anisotropy"。

本研究受自然肌肉骨骼系统启发，基于单一材料设计仿生物软-硬机器人结构的编程方法，该方法通过对晶格结构中单元胞的几何设计，精确调节刚度和各向异性，从而创建具有空间变化机械性能的三维结构，适用于构建类似骨骼系统的刚性关节结构。同时，基于这些方法制作了仿大象的肌肉骨骼机器人，其软躯干利用拓扑调节方法实现弯曲、扭转和螺旋运动，腿部利用叠加编程方法实现多种关节运动，且整体机器人展现出良好的操作和承载能力。

图1 晶格肌肉骨骼机器人。

图1展示了晶格肌肉骨骼机器人的概念，包括大象肌肉骨骼系统的灵感来源、基于3D打印晶格的肌腱驱动肌肉骨骼机器人的结构设计、机器人大象的外观光学图像、机器人躯干夹取花朵的放大图像以及机器人抬腿踢保龄球的状态，尺寸分别为10 cm、2 cm和5 cm。这些内容呈现了受大象肌肉骨骼系统启发设计的该机器人的整体结构、关键部件及功能表现，体现了其软躯干的灵活性和刚性关节的承重能力等特点。

图2 通过不同形式的拓扑编程所能达到的机械性能范围。

图2展示了通过不同拓扑编程形式可实现的力学性能范围，其中包含生物系统中不同组织和结构的杨氏模量、拓扑调节和叠加编程两种几何编程方法，以及不同几何编程可实现的杨氏模量和剪切模量范围，并用基于菱形的形状突出了剪切模量和杨氏模量的各向异性范围。这些内容直观呈现了生物系统的力学性能特点以及所采用的几何编程方法能够实现的力学性能调节范围，为晶格结构肌肉骨骼机器人的设计提供了性能参考。

图3 用于实现从一种几何形状到另一种几何形状的连续融合的拓扑调节方法。

图3展示了拓扑调节方法实现从一种几何形状到另一种几何形状的连续融合过程，包括体心立方（BCC）和XCube两种晶格类型及在无量纲杨氏模量和剪切模量上的各向异性，拓扑调节中BCC与XCube之间的拓扑转换示意图，以及随着拓扑指数增加，从BCC到XCube的几何调节呈连续方式的表现。这些内容呈现了拓扑调节方法通过调节拓扑指数实现两种晶格单元连续融合的原理以及力学性能变化，该方法为如何实现刚度和各向异性的连续调控提供了研究思路。

图4 由拓扑结构调控的多运动型肌肉结构。

图4展示了基于拓扑调节方法设计的肌肉结构实现多种运动的情况，包括弯曲运动、扭转运动和螺旋运动，每种运动均呈现了肌肉结构和肌腱布局的示意图、运动的实验变形情况，以及弯曲运动中不同肌腱长度对应的弯曲角度、扭转运动中不同高度对应的扭转角度等。这些内容直观呈现了拓扑调节方法在设计具有特定运动功能的肌肉结构中的应用，体现了通过调节拓扑指数可实现多样化的变形行为，为软连续体结构的设计提供了参考。

图5 各向异性调节的叠加编程方法。

图5展示了叠加编程方法对各向异性的调控，包括改变单元胞的方向和平移两种叠加方式及其对立方体各向异性的编程作用，还呈现了通过方向叠加编程和平移叠加编程得到的立方体的力学性能，如特定立方体样品的放大结构、杨氏模量、剪切模量，以及叠加度或连接度增加时的立方体示意图，直观体现了叠加编程方法在调节晶格单元刚度和各向异性方面的作用。

图6 用于多种运动的叠加编程骨骼关节。

图6展示了基于叠加编程方法设计的骨骼关节实现多种运动的情况，包括平面关节的滑动、单轴关节的弯曲以及双轴关节的双向弯曲，每种关节均呈现了生物系统中关节的示意图和机制、骨骼关节与肌腱布局的示意图、运动的实验变形情况、工作空间，以及滑动距离、弯曲角度等随肌腱长度变化的数据，直观呈现了叠加编程方法在设计具有特定运动功能的骨骼关节中的应用，体现了通过叠加编程可实现多样化的关节运动行为。

图7 用于多种运动的叠加编程骨骼关节。

图8 用于多种运动的叠加编程骨骼关节。

图8展示了大象机器人的能力演示，包括机器人的整体外观和结构组成、足部对不同地形和环境的适应性、躯干通过组合不同部分从花瓶中抓取花朵的过程（接近、抓取、抬起），以及通过协调重心和步态实现仿生行走的情况（含有无重心偏移的对比、行走速度、不同步态下的重心偏移等），直观呈现了该机器人在操作、适应环境和运动方面的综合能力。