上海交大杨广中团队Matter封面文章：仿生和生物混合软体机器人的原理与新兴技术 | Cell Press对话科学家

CellPress细胞科学

2025-04-29 17:01发布于北京CellPress细胞科学官方账号

AI划重点 · 全文约2931字，阅读需9分钟

1.上海交通大学杨广中团队在Cell Press期刊Matter上发表了一篇关于仿生和生物混合软体机器人的综述文章。

2.文章系统总结了软体机器人领域的最新研究进展与前沿技术，为柔性机器人未来的发展提供了清晰的研究路径与新的方向指引。

3.作者从驱动机制、材料选择与感知技术三个核心方面出发，阐述了软体机器人的前沿设计原理。

4.除此之外，文章还强调了不同物种所引发的新兴研究方向，展望了软体机器人在多个应用领域中的发展潜力。

5.最后，作者总结了软体机器人当前面临的主要挑战，以及未来需要攻克的方向。

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物质科学

Physical science

2025年4月2日，上海交通大学医疗机器人研究院杨广中院士团队联合新加坡国立大学Cecilia Laschi教授团队、美国加州大学伯克利分校Robert J. Full教授团队，韩国首尔国立大学机械系Ho-Young Kim教授团队，以及土耳其科克大学Metin Sitti教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Matter上在线发表了题为“Bioinspired and biohybrid soft robots: Principles and emerging technologies”的综述文章，并在四月封面生动展示。文章系统总结了仿生与生物混合软体机器人领域的最新研究进展与前沿技术，为软体与柔性机器人未来的发展提供了清晰的研究路径与新的方向指引。上海交通大学生物医学工程学院博士生陈正坤为论文的第一作者，上海交通大学杨广中院士为论文的通讯作者。

近年来，软体机器人因其柔性、可变形性与环境适应性而备受关注。自然界在长期进化中形成的多样化生命体，为软体机器人的设计提供了丰富的仿生灵感。文章聚焦于仿生与生物混合软体机器人，系统梳理了该领域最新的研究进展。作者从驱动机制、材料选择与感知技术三个核心方面出发，阐述了软体机器人的前沿设计原理，并借助自然界的生物分类方法，对动物、植物及微生物等生物模型在软体机器人中的应用进行了分类总结。此外，文章还强调了不同物种所引发的新兴研究方向，展望了软体机器人在多个应用领域中的发展潜力，提出了未来面临的关键挑战与技术突破路径。

作者通过一系列扇形图全面展示了动物、植物、微生物界的生物分类体系，针对不同类型的生物模型进行了精选分析，并基于研究密度、研究影响力、应用潜力和技术成熟度四个关键指标，概括了当前软体及柔性机器人发展的趋势。这些趋势通过彩色柱状图的相对高度直观呈现，清晰展示了各类生物模型在不同维度下的综合表现。该图旨在为研究人员提供新的思路和参考方向，助力仿生软体机器人领域的未来研究布局。

文章深度展示了柔性机器人在各领域的广泛应用前景，尤其是在生物医学领域的独特优势。相较于传统刚性医疗机器人复杂且笨重的结构，柔性机器人凭借其柔软、可变形和高度适应性的本体结构，能够实现多模式运动，在复杂、狭小的生理环境中精准到达目标区域，执行温和而精确的操作。此外，部分柔性材料，特别是生物混合材料，具备良好的生物相容性、可调控性和多功能性，使其在诊断、手术、药物递送和康复治疗等多种医疗场景中展现出巨大应用潜力。

最后，作者总结了软体机器人当前面临的主要挑战，以及未来需要攻克的方向。通过对本领域近年来具有代表性的综述文章进行综合分析，作者将挑战归纳为驱动、感知、材料与计算四大核心领域，并分别列举了每一领域中被高频引用的问题点。以柱状图的形式通过相对高度的不同直观呈现了各类挑战的重要性与关注程度，有助于揭示软体机器人发展过程中亟需突破的关键瓶颈，为后续研究提供了明确的指引与聚焦方向。

该论文得到了国家重点研发计划、上海市柔性医疗机器人重点实验室、上海市科技重大专项项目的支持。

图1. 分类展示近年来以动物界、植物界及微生物界的生物为仿生模型设计的代表性软体机器人，体现了自然界多样性对软体机器人发展的深远影响。

图2. 展示了近年来软体机器人研究中常用动物模型的分布情况，以及对应的研究密度、研究影响力、应用潜力与技术成熟度等方面的比较。.

图3. 软体机器人的最新研究成果及应用。

.图4. 软体机器人当前发展面临的主要挑战。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请杨广中院士代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

近年来，软体机器人领域的研究呈现出多样化与快速发展的趋势。请问杨院士，您如何看待将仿生学与软体机器人相结合的意义？这一融合在推动技术发展和应用拓展方面带来了哪些核心优势？

杨广中院士：

将仿生学与软体机器人相结合，其核心意义在于能够从自然界中汲取软体材料、结构设计以及运动控制的灵感，以解决传统刚性机器人在复杂环境适应性、柔顺交互以及生物兼容性方面的局限。自然界生物在长期的进化中适应了各种复杂、严苛以及多样的环境，一些生物在特定环境下形成了柔韧、高效、智能的运动与感知机制，是研究软体机器人最好的学习和借鉴的模板。通过仿生结构与新材料的引入，软体机器人不仅在可变形性与环境适应性方面实现质的飞跃，同时也在微创医疗、航空航天、工业检测、搜救和复杂环境探测等应用领域中展现出了巨大潜力。因此，仿生学应该作为软体机器人发展的源泉，为推动该领域发展与进步提供重要动力。

CellPress：

您的团队近年来在医疗机器人前沿技术方面持续深耕探索。请问，软体机器人是如何与医疗场景相结合的？目前在临床或未来应用中具备哪些优势与发展前景？

杨广中院士：

软体机器人在医疗领域的应用主要得益于其独特的柔性结构和良好的生物相容性，能够实现对人体组织安全、柔顺、与精确的操作。相较于传统的刚性医疗器械，软体机器人在微创外科手术、腔内介入手术、靶向药物递送、体内诊疗和康复辅助等方面展现出了其显著的优势。例如，我们团队近年来在基于复合材料的柔性介入设备、多模态驱动微型操控平台、以及结合原位在体显微成像技术的智能软体机器人方面取得了一系列进展。这类系统可以实现对复杂人体腔道的顺应性导航、介入或手术，同时降低了组织损伤的风险。未来，随着高性能柔性材料、智能感知系统以及柔性驱动技术的发展，软体机器人有望进一步在微创手术、个性化医疗、远程操控、人机融合以及闭环治疗中发挥越来越重要的作用，推动医疗设备向更加微创化、智能化、普适化、以及人机协同化发展。

CellPress：

在本篇文章中，您创新性地以动物界、植物界和微生物界为生物学基础，对仿生软体机器人的发展路径进行了系统展开，并对不同仿生模型所对应的研究密度进行了深入分析。请问，您认为这种分类与量化的视角对读者理解该领域的发展趋势具有哪些重要意义？

杨广中院士：

我们希望通过引入生物三界（动物、植物、微生物）的分类框架，帮助读者更系统地理解仿生软体机器人在不同生物模型启发下的发展路径与研究现状。这种生物分类不仅能够体现自然界在结构、运动、功能等方面的多样性，也为设计具有特定功能特征的软体机器人提供了清晰的仿生思路。同时，我们通过研究密度、研究影响力、技术成熟度和应用潜力等维度，对不同生物启发模型进行量化评估，旨在揭示当前的研究热点、以及相对空白的潜力研究领域。对于科研人员而言，这种方法能够帮助其把握当今研究前沿、理解主要技术挑战、掌握发展机遇、瞄准未来方向、聚焦创新探索领域；对于工程实践者，则提供了如何有效选取仿生源进行系统设计的参考依据。总体而言，该文不仅提升了仿生软体机器人研究的系统性和理论高度，也有助于推动跨学科协同与技术创新和转化。

作者简介

杨广中

英国皇家工程院院士

杨广中，上海交通大学讲席教授、上海交通大学医疗机器人研究院创始人及首席科学家、英国皇家工程院院士。主要研究领域为医疗成像技术、传感技术与机器人。他创立了著名的英国帝国理工医学院的汉姆林中心，2017年被英女皇授勋CBE勋章，是首位获此殊荣的大陆科学家。