從仿生到造物，中國科學(xué)家破解水下仿生軟體機(jī)器人的底層邏輯

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論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

本文約3300字，閱讀約8分鐘

文 | 李雁羽 李磊

出品 | 海潮天下

當(dāng)我們談“仿生學(xué)”（bionics）時，通常會想到一句話：向自然學(xué)習(xí)。科學(xué)家們模仿自然生物制造出了各種各樣的仿生機(jī)器，它們可以模仿鳥類翱翔天際、模仿魚類游弋江河、模仿壁虎飛檐走壁、模仿水母推波曼舞，甚至模仿人類完成跳舞、騎自行車、滑旱冰、跑馬拉松等操作。這些仿生機(jī)器往往具有和真實生物極為相似的外形，使人難辨真假。

但近期發(fā)表在npj Robotics的一篇關(guān)于水下仿生機(jī)器的綜述，卻提出了一個更深刻的問題：仿生，我們真的學(xué)對了嗎？

答案是：不完全是。

因為自然界的關(guān)鍵，從來不只是“長得像”，而在于如何在環(huán)境中高效地運(yùn)行并且適應(yīng)環(huán)境。

該研究由北京大學(xué)牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院水生生物研究所、新加坡國立大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所等機(jī)構(gòu)的科研人員共同合作完成。論文第一作者為北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院的李磊副研究員，論文通訊作者為喻俊志教授。這種多單位跨領(lǐng)域的攜手合作，也體現(xiàn)了生物學(xué)與機(jī)器人學(xué)深度交叉的研究趨勢。

圖1 Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back（《仿生水下軟體機(jī)器人：從生物到機(jī)器人，再回歸生物學(xué)》）論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

生物不是在對抗環(huán)境，而是在適應(yīng)環(huán)境

傳統(tǒng)水下機(jī)器人的設(shè)計邏輯往往簡單粗暴，大多是剛性結(jié)構(gòu)，并由螺旋槳推進(jìn)，看起來就像一個個小潛水艇。但真實的水生生物完全不同，它們千姿百態(tài)，適應(yīng)各種水生環(huán)境，僅魚類的外形就可以被分為：紡錘型、鰻型、側(cè)扁型、平扁型等等。

在這篇綜述之中，作者提出一個核心概念：“身體智慧”（body intelligence），簡單來說，就是身體、材料、控制與環(huán)境一起參與“計算”。文中提到金槍魚、水母、章魚和?魚沒有試圖“控制一切”，而是把身體變成一個與水生環(huán)境協(xié)同工作的系統(tǒng)。這里面涉及運(yùn)動的流體耦合、生物器官形態(tài)與材料結(jié)構(gòu)、分布式感知，以及自適應(yīng)控制等方面。生物的能力，不在于某個獨(dú)立部件，而在于身體的整體協(xié)同。

圖3 截取自原論文Fig.2 “body intelligence”的四個層面：運(yùn)動與流體耦合、結(jié)構(gòu)與材料、分布式感知以及自適應(yīng)控制，共同決定生物在水中的高效行為。論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

仿生不僅是模仿生物，還應(yīng)該“研究生物”

如果仿生只是簡單復(fù)制，其意義終究有限。這篇論文提出了一個新的研究框架——“從生物到機(jī)器人，再回到生物”：仿生機(jī)器不僅用于模仿自然，更能夠反過來作為實驗工具去研究自然。

其原因在于，使用真實生物體進(jìn)行實驗，不僅涉及動物倫理（Animal ethics）問題，許多變量也難以被單獨(dú)控制，而在仿生機(jī)器系統(tǒng)中，這些因素卻可以被精確調(diào)節(jié)，例如改變仿生魚尾的剛度以觀察推進(jìn)效率的變化、通過控制魚尾或魚鰭的擺動頻率來探索不同流場下的最優(yōu)運(yùn)動方式，更細(xì)節(jié)的操作案例是調(diào)整仿?魚吸附結(jié)構(gòu)中鰭片的角度來分析其對摩擦力的影響。

這些在動物身上難以實現(xiàn)的實驗，在機(jī)器人中卻成為可控變量。由此，機(jī)器人不再只是工程產(chǎn)物，而成為一種“可調(diào)參數(shù)的生物模型”，也正如論文所強(qiáng)調(diào)的——仿生機(jī)器人不僅是工程系統(tǒng)，更是科學(xué)研究工具，它讓我們第一次能夠系統(tǒng)地回答一個問題：自然界中的這些結(jié)構(gòu)，究竟為什么會是這樣。

圖4 截取自原論文Fig.9，機(jī)器人作為研究生物機(jī)制實驗工具的案例 A.仿生蝠鲼揭示由快速變形產(chǎn)生的分叉射流與渦偶結(jié)構(gòu)如何增強(qiáng)推力并提高抗碰撞能力；B.仿生?魚吸附盤揭示微小棘刺對摩擦增強(qiáng)的作用機(jī)制；C.仿章魚腕足的漸細(xì)軟體執(zhí)行器表明，錐度角決定了彎曲能力與剛度之間的權(quán)衡關(guān)系。論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

更進(jìn)一步，這一思路甚至延伸到古生物研究，我們可以通過古生物遺留的痕跡（如化石或者足跡等）去研究那些已經(jīng)滅絕的生物。比如，通過構(gòu)建基于柏氏山行龍（Orobates pabsti）的行走機(jī)器人，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)該物種的運(yùn)動方式比以往假設(shè)更為先進(jìn)，姿態(tài)更直立、步態(tài)的穩(wěn)定性更高且能量效率更優(yōu)，說明高效步態(tài)可能在羊膜動物輻射之前就已出現(xiàn)。

通過對蛇頸龍鰭的仿生模型進(jìn)行流體力學(xué)實驗，研究前后鰭之間的渦流相互作用，證明蛇頸龍的鰭肢協(xié)同運(yùn)動在水下具有潛在優(yōu)勢；基于埃及棘龍（Spinosaurus aegyptiacus）尾部形態(tài)構(gòu)建仿生機(jī)器人模型，通過在水中進(jìn)行推進(jìn)測試，分析其尾部擺動產(chǎn)生的流場與推力。實驗結(jié)果表明，該尾部結(jié)構(gòu)能夠有效產(chǎn)生推進(jìn)力，支持該古生物具備水下游動能力的假說。

利用名為Rhombot的仿生機(jī)器人模擬古代棘皮動物（Pleurocystitids，中文常譯為側(cè)囊蟲）的身體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動方式，控制其“莖部”擺動和附肢運(yùn)動，以此來研究不同運(yùn)動策略對速度與效率的影響。結(jié)果顯示，大幅度擺動結(jié)合特定推進(jìn)方式可以顯著提升運(yùn)動性能，與化石推測的演化趨勢相一致。

這些案例說明，仿生學(xué)技術(shù)可以使滅絕物種的運(yùn)動方式在實驗中被重建與檢驗，從而將“進(jìn)化故事”真正轉(zhuǎn)化為可量化的科學(xué)機(jī)制。

圖5 仿生學(xué)和古生物研究 左圖源自（John A. Nyakatura, J. A., et al. (2019). Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature, 565, 351–355.），展示仿生柏氏山行龍的研究；右圖截取自原論文Fig.10，展示通過仿生手段研究蛇頸龍、埃及棘龍以及側(cè)囊蟲的案例

趨同進(jìn)化：指導(dǎo)仿生研究總結(jié)自然界底層代碼

該論文進(jìn)一步指出，對仿生學(xué)而言真正重要的其實并非模仿某一個物種，而是從整體上“總結(jié)自然”。這一思想在論文的插圖之中展現(xiàn)得尤為生動：在相似的物理與生態(tài)約束之下，來自不同進(jìn)化譜系的生命，沿著各自的路徑，卻不約而同地抵達(dá)相似的答案——這正是趨同進(jìn)化（convergent evolution）的深層含義。環(huán)境并不直接“塑造”生物，而是限定了解空間，使不同譜系在演化過程中收斂到相似的物理與結(jié)構(gòu)解。

圖6 鯊魚、魚龍與海豚的趨同進(jìn)化示意。盡管分別屬于軟骨魚類、爬行類和哺乳動物，這三類動物在水生環(huán)境中獨(dú)立演化出相似的流線型體態(tài)與鰭狀附肢，體現(xiàn)了環(huán)境約束驅(qū)動下的形態(tài)趨同；圖源Fish F. E., 2023. Aquatic locomotion: Environmental constraints that drive convergent evolution. In Convergent Evolution: Animal Form and Function, Springer.

無論是在空中還是水中，不同類群的生物在相似環(huán)境壓力下，往往會演化出功能相近的結(jié)構(gòu)。比如飛魚（硬骨魚）、鳥類、蝙蝠（哺乳類）以及已經(jīng)滅絕的翼龍（爬行類）都發(fā)展出翼狀器官用于飛行或者滑翔；而在水中，企鵝（鳥類）、鯊魚（軟骨魚）、鯨豚類（哺乳動物）還是早已消失的魚龍（爬行類），雖分屬不同類群，卻都擁有流暢有力的鰭狀附肢，并且還都選擇了流線型的身體，以便于穿行于海洋之中；而七鰓鰻（圓口綱生物，擁有布滿角質(zhì)齒的口吸盤）、喉盤魚（硬骨魚，胸腹鰭與部分皮膚共同形成吸附器官）、網(wǎng)蚊科昆蟲幼蟲（昆蟲綱生物，以腹部的吸盤作為吸附器官）與烏賊（頭足綱無脊椎動物，部分腕足上擁有吸盤）都發(fā)展出精巧的吸附結(jié)構(gòu)，用于抓取事物以及在急流與粗糙表面之間穩(wěn)穩(wěn)駐足。

圖 7 截取自原論文Fig.11趨同進(jìn)化的典型案例：在相似功能需求與環(huán)境約束下，不同物種獨(dú)立演化出相似結(jié)構(gòu)——包括飛行中的翼結(jié)構(gòu)、水下推進(jìn)的鰭狀附肢、用于附著的吸附器官以及用于抓取與纏繞的螺旋結(jié)構(gòu)。論文出處：Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

無論是章魚（頭足綱無脊椎動物，以具有吸盤的腕足實現(xiàn)抓取）、海馬（硬骨魚類，具有可纏繞的卷曲尾部）、變色龍（爬行類動物，尾部可盤繞用于穩(wěn)定與抓握）還是大象（哺乳動物，利用高度靈活的鼻子進(jìn)行操作），雖分屬不同類群，卻都發(fā)展出能夠彎曲纏繞的附肢結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在形態(tài)上往往呈現(xiàn)出近似對數(shù)螺旋的幾何特征，使其能夠在抓取、纏繞與支撐過程中逐漸貼合目標(biāo)物體，從而實現(xiàn)穩(wěn)定而高效的力傳遞。盡管它們的解剖結(jié)構(gòu)與演化路徑各不相同，但都指向了同一種功能性解決方案，即通過螺旋式彎曲來提升抓握能力與空間適應(yīng)性。

這些看似各異的生命形態(tài)，居于生命之樹的不同枝丫卻發(fā)展出了相似的器官，這并非偶然的巧合，而是在流體力學(xué)與環(huán)境約束編織出的“可行解空間”中，對最優(yōu)路徑的反復(fù)逼近與收斂。正是在這樣的背景下，該論文提出了“通用仿生設(shè)計”（biouniversal design）理念：與其執(zhí)著于模仿某一種生物的外形，不如去提煉那些跨越物種、跨越時間而依然成立的設(shè)計法則。換句話說，自然界并未給出無數(shù)彼此獨(dú)立的答案，而是在億萬年的演化長河中，以不同生命的形態(tài)，一次又一次地書寫著同一套底層的物理與結(jié)構(gòu)規(guī)律。

結(jié)語

或許，仿生的真正意義，從來不在于“做得多像”，而在于看懂自然是如何運(yùn)作的。當(dāng)我們不再執(zhí)著于模仿某一種生物，而是開始提煉跨物種、跨時間的共通規(guī)律時，仿生才真正走向成熟。從海洋中的魚類與章魚，到早已滅絕的古生物，自然一次次地給出不同形式、卻相同本質(zhì)的答案。問題不在于自然有沒有答案，而在于我們是否學(xué)會了讀懂它。

本文參考資料
[1] 感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Li L, Qin B, Gao W, et al. Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back[J]. npj Robotics, 2026, 4(1): 25.
https://www.nature.com/articles/s44182-026-00088-x.pdf
[2] Li, L. et al. Bioinspired underwater soft robots: from biology to robotics and back. npj Robotics (2022).
[3] Nyakatura, J. A. et al. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355 (2019).
[4] Bels, V. L. & Russell, A. P. (eds.) Convergent Evolution: Animal Form and Function. Springer (2013).

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資訊源 | Li L, Qin B, Gao W, et al.(2026)

文 | 李雁羽 李磊

編輯+排版 | Linda Wong

日期 | 2026年5月5日

聯(lián)系小編 | editor@oceanbiodiversity.cn

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