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近日，开元985棋牌最新官网（深圳）理工学院林天麟教授团队联合美国宾夕法尼亚大学Mark Yim教授、瑞士洛桑联邦理工学院Auke Ijspeert教授，在国际期刊Science Robotics发表题为“Modular reconfigurable robots: Toward on-demand multifunctional applications”的论文。开元985棋牌最新官网（深圳）为论文第一单位，理工学院博士毕业生梁冠琪为论文第一作者，林天麟教授为论文独立通讯作者。

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一、期刊介绍

Science Robotics是机器人领域最具影响力的学术期刊，最新影响因子为27.5，长期位居机器人学科第一。期刊致力于发表具有高度原创性和突破性的前沿研究成果，深入探索机器人技术在科学发现、工程实践与社会应用中的潜力。本文是开元985棋牌最新官网（深圳）在Science Robotics上发表的首篇文章。

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二、研究背景

从科幻作品中能够自由变形的机器人，到现实世界中跨场景执行多任务的智能系统，人类始终在探索一种真正“按需而变”的通用机器人形态。模块化可重构机器人（Modular Reconfigurable Robots, MRR）正是在这一愿景驱动下发展起来的重要研究方向。通过将机器人构建为多个具备独立功能的模块单元，并允许这些模块在物理层面自由连接、分离与重组，系统能够在不同任务与环境需求下重塑形态，实现功能转换与协同执行。结构的可重构性，使机器人突破单一形态与固定功能的限制，具备跨领域、多任务的动态适应能力。

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过去数十年间，MRR研究已从早期的机械验证平台发展为具备自重构、自组装与多模态运动能力的复杂系统，在多个方面展现出显著潜力。然而，既有研究多聚焦于结构设计或算法实现，缺乏以真实应用需求为主线的系统性梳理，也尚未全面揭示其在工程落地过程中面临的关键瓶颈。围绕这一问题，本文从应用场景出发，对模块化可重构机器人的能力边界、核心挑战与未来演进路径进行系统分析，旨在为其迈向“按需多功能”应用提供结构化的发展框架。

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三、研究内容

面向物理世界交互的应用图景

基于机器人应用场景，MRR系统的能力形态可抽象为运动、操作与建造三个基本维度。

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在运动层面，MRR系统不局限于固定形态下的移动方式。系统既可以在既定形态下执行步行或轮式运动，也可以在运动过程中进行结构重构，使形态变化成为运动过程的一部分。结构与环境之间的关系由单向适应转为动态调整，系统可根据空间约束与受力情况对形态进行相应改变，从而增强环境适应能力与运动多样性。

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在操作层面，模块既是结构单元，也是功能执行单元。通过不同组合方式，系统能够形成自由度可调的操作结构，并在模块数量增加时实现多点接触与协同控制。操作形态不再完全在设计阶段确定，而是可以在任务执行过程中根据需求进行调整，实现任务驱动结构生成。

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在建造层面，MRR系统在空间结构构建任务中展现出拓展能力。模块既可作为基本构件参与自组装，也可与其他执行机构配合完成空间结构的构建。这使系统在执行任务之外，能够在一定程度上参与环境结构的形成，推动其从“操作世界”迈向“构建世界”。

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贯穿系统全栈的关键挑战与瓶颈

在能力不断拓展的同时，系统实现层面所面临的约束逐渐显现。这些挑战贯穿硬件、软件与实际应用部署的多个层级，共同构成MRR系统发展的现实边界。

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在硬件层面，核心问题在于如何在可重构性与物理约束之间取得平衡。连接机构需要兼顾结构强度与容错重构效率；模块小型化虽然提高了形态分辨率，但也压缩了驱动、计算与续航空间；异构设计有助于提升特定任务性能，却可能削弱整体的可重构能力；分布式能源共享能够增强系统鲁棒性，但同时面临安全性与功率匹配等限制。未来的发展方向在于在结构可靠性、功能密度与系统协同之间形成更加协调的设计思路。

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在软件层面，挑战主要来自形态多样性与任务泛化之间的矛盾。冗余自由度带来高维规划与多解不确定性，增加了优化的复杂度；多形态运动要求在有限算力条件下实现形态与步态的协同控制；环境适应不仅涉及形态选择，还需处理复杂的力学交互；分布式架构也可能引入通信时延与可靠性问题。后续研究可围绕分层优化方法、跨形态泛化能力以及分布式系统的稳定性展开，逐步完善统一的软件框架。

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在应用层面，挑战更多体现在能力整合与工程实现之间的差距。尽管不同应用场景在物理交互层面具有一定共性，但在实际部署中仍受到结构强度、能量供给与控制复杂性等多方面约束。性能与灵活性之间存在权衡，动态重构虽能提升适应性，却也增加系统风险；规模化协同则进一步放大通信与调度压力。此外，形态生成尚未与任务需求形成明确映射，使“按需成形”仍多停留在理念层面。未来可从构建形态、功能与场景之间的关联机制入手，提升系统在实际场景中的可部署性与应用可行性。

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从概念验证到普适部署的演进路径

基于现有代表性研究与工程约束，本文提出从L1到L5的模块化机器人五阶段发展路径，用以刻画MRR系统从概念验证走向实际部署的渐进过程：由完全依赖人工装配的初级形态，发展至可在预定义结构间自主切换的自重构系统；进一步实现具备通用自组装能力的分布式模块群体；继而演进为面向特定场景优化、性能接近专用机器人的定制化系统；最终迈向在成本、灵活性与适应性方面取得综合平衡的普适应用平台。

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框架呈现出MRR从相对离散的机械单元向集成的群体系统演进的整体趋势，其能力重心也由执行预设功能逐步转向自主形态生成与任务适配。总体来看，当前研究多停留在有限自重构与自组装阶段，在规模化部署与系统可靠性方面仍存在一定差距。未来的突破有赖于在机构设计、智能算法与控制方法等方面的协同推进，促进执行、感知与决策之间更加紧密的融合。

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四、研究结论

本文以应用为主线，对模块化可重构机器人的能力结构、关键瓶颈与发展路径进行了系统梳理。MRR系统的核心价值不在于单次形态变化，而在于持续生成新形态与新功能的能力。它打破了传统机器人“结构决定功能”的单向逻辑，提出“结构可变、功能生成”的新范式。

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要实现真正的按需多功能机器人，仍需在机构设计、智能控制与系统协同等方面实现跨层突破。随着人工智能、先进材料和分布式技术的发展，模块化机器人将在复杂环境中发挥更重要作用。未来的机器人或许不再是一台固定形态的机器，而是一组能够自由组合、持续演化的模块系统；在任务驱动与环境约束下不断重塑自身结构，“按需成形”将成为一种新的工程现实。

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五、作者简介

通讯作者：林天麟教授

林天麟，开元985棋牌最新官网（深圳）长聘副教授、深圳河套学院双聘教授，担任机器人与智能制造国家地方联合工程实验室常务副主任、IEEE机器人与自动化学会广州分会副主席。林教授长期从事模块化机器人、多机器人系统及特种机器人的研究工作，在机器人与人工智能领域期刊及会议发表论文100余篇，包括Science Robotics 2篇、IJRR 3篇、TRO 8篇、TPAMI 2篇；获熊有伦智湖优秀青年学者奖、TMECH年度最佳论文奖、IROS机器人机构设计最佳论文奖、ICRA最佳论文提名奖，入选全球前2%顶尖科学家。研究成果被中央电视台、路透社、福布斯、IEEE Spectrum等国内外媒体报导。林教授担任TRO、TMECH、TASE、JFR等期刊编委。

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第一作者：理工学院博士毕业生梁冠琪

梁冠琪，理工学院博士毕业生。以第一作者在Science Robotics、IJRR、TRO、TMECH发表论文；获RSS Pioneers、IROS机器人机构设计最佳论文奖、ICRA最佳论文提名奖。梁博士担任RAL、ICRA和IROS的副编辑，受邀为Science Robotics、IJRR、TRO等期刊审稿。

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供稿 | 林天麟教授团队?

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