中国科大研发“章鱼”触手机器人，能抓取任意物体

文摘 2025-02-02 20:43 广东

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能抓取任意物体

在中国科学技术大学人工智能物联网（AIoT）实验室，科研人员正在演示新型螺旋软体机器人抓取物体的能力。近期，中国科学技术大学尼克(Nikolaos Freris)特任教授课题组及其合作者魏熹特任副研究员，在软体机器人领域取得重要进展成果，基于对自然界多种生物柔性肢体（如象鼻、章鱼触手、海马和变色龙尾巴）形态与运动的系统观察及数学模型抽象，研发了一系列不同尺度（长度从厘米到米）与材质的螺旋机器人原型机。

中国科大研发“章鱼”触手机器人

在大自然中，许多生物都拥有其独特的柔性肢体，比如，大象的鼻子、章鱼的触手、变色龙的尾巴等。虽然从它们身上获得的仿生灵感，促进了软体机器人技术的研究，但后者目前在交互性、灵巧性和运动速度等性能上，

依旧无法与生物体相媲美。

在进一步探究该问题的过程中，

来自中国科学技术大学的团队发现了一个有趣的现象：尽管那些柔性肢体，从生活环境（例如陆地或水中）、尺寸（从厘米到米不等）、解剖结构（例如纯肌肉或骨骼和肌肉协同作用）等维度来看各有不同，但它们却存在一个共同点，即都能紧密地卷曲成对数螺旋线的形状。并且，螺旋的卷曲与展开，对于生物体功能的发挥至关重要，比如大象的鼻子会从鼻尖开始卷曲，以捡起地面上的物体。

基于这些发现，该课题组通过数学抽象和建模，提出了一种跨尺度的通用设计原理，并基于此设计出一种新型的软体机器人。该机器人在形态上复制了这种螺旋结构，只需通过简单的绳索驱动，就可以进行有效的控制，

来复现可比拟生物柔性肢体的运动特征。

同时，

他们也在章鱼触手的启发下开发了一种抓取策略，能通过利用绳索控制卷曲/展开运动，使螺旋形的身体接触并缠绕物体。由于利用了接触时的被动变形，因此该策略能够适应各种形状和尺寸的物体，比如杯子、钢笔、鸡蛋等，并能在受限空间内进行操作，无需精确的反馈或复杂的规划和控制。

在研究过程中，研究人员对该软体机器人所具备的关键特征和设计参数进行深入分析后，得出了以下结果：

首先，该类机器人中心轴的曲率半径沿机器人身体线性变化：越靠近尖端，曲率半径越小。这一特性使得机器人的尖端具有更高的灵活度和动作精细度，从而实现对各种尺寸物体（尤其是小尺寸）的抓取。

其次，机器人的螺旋型身体展开后的形状为严格的锥形，锥角越大，机器人的工作空间越小，其可抓握的物体直径均越小，但同时最大负载能力提高。以 15° 锥角的螺旋机器人为例，它可以抓取直径变化超过两个数量级的物体，最大负载可达其自重的 260 倍。

最后，基于优化的机械结构设计和简单的控制策略，螺旋机器人能够实现快速且稳定的抓取动作，并且可以自动来适应不同大小、形状的物体。

上述研究结果表明，此类软体机器人具有广泛的应用前景，可以根据实际需求迅速调整和优化关键设计参数，结合 3D 打印等快速成型方法可进行多尺度（cm - m）和多种材质 (聚氨酯、树脂和纸等) 的低成本制备，显著减少了软体机器人开发中的反复试错和仿真验证，具有普适性和可扩展性。

尽管在尺寸、生活环境（水生或陆生）以及解剖结构（有骨骼和无骨骼）等方面存在较大差异，自然界中多种生物肢体均呈现出对数螺旋线形态，可轻易实现难以在人工装置中复现的复杂动作和高效抓取。通过对这一规律进行数学抽象和建模，该研究团队首次提出了一类具有普适性和可扩展性的软体机器人——螺旋机器人，并系统研究了其设计理论、制备方法和操作策略，在多尺度、多材质、多维度和协作交互等拓展应用场景中展示了该类机器人在动作灵巧度、精细度及速度等方面可比拟生物体的优越性能。

具有对数螺旋线形态的机器人可通过逆向设计方法实现：首先确定机器人的极限卷曲形态（即遵循对数螺旋线方程），然后将螺旋线进行离散，展开得到机器人的直线形主体设计。作者在螺旋机器人的中心轴位置设计了一个厚度线性变化的弹性层，用以连接各个离散的单元，并为机器人在无驱动力作用下的展开运动提供回复力。每个单元两侧均预留了小孔以供绳索穿过，机器人的卷曲与展开运动通过绳索的张紧和放松进行控制。该结构通过采用 3D 打印加工成型，成本低、制备速度快，可实现高效优化和快速迭代。

该研究团队对螺旋机器人的一系列关键设计参数开展了深入研究。理论分析结果表明，该类机器人中心轴的最小曲率半径沿机器人身体线性变化：越靠近尖端，曲率半径越小。这一特性使得机器人的尖端具有更高的灵活度和动作精细度，也是其可缠绕抓取各种尺寸物体（尤其是小尺寸物体）的重要基础。该研究还揭示了机器人的螺旋型身体展开后的形状为严格的锥形（如图3所示）；锥角越大，机器人的工作空间越小，其可抓握的最大和最小的物体直径均越小，但同时最大负载能力提高。以15°锥角的螺旋机器人为例，其可以抓取直径变化超过两个数量级的物体，最大负载可达其自重的260倍。

在上述研究基础上，该团队拓展了螺旋线机器人的设计，并在多个应用场景中进一步验证和探索其性能表现。

1.微型螺旋机器人

作者首次展示了一种微型螺旋机器人，其总长度只有1 cm，尖端直径为0.14 mm。该机器人采用摩方精密nanoArch® S130 （精度：2 μm）3D打印系统和摩方精密韧性光敏树脂（ST1400）打印成型（如图5 所示）。在两根直径为20微米的细丝驱动下，该机器人能够无损伤地抓取微小生物，如蚂蚁。

2. 三根绳索驱动的螺旋机器人

作者将由螺旋线离散化所获得的一系列单元绕中心轴旋转，设计出了具有3D卷曲能力的螺旋机器人（如图6所示）。该机器人在三根绳索驱动下，可成功完成对目标物的立体抓取（图6B）、高速定位击打（图6C）和非规则形体的快速抓取（<1 s）（图6D）。此外，作者设计制备了一条长度为1 m 的螺旋机器人，并将其部署在无人机上搭建可遥控操作的空中抓取装置。该系统可以成功的在3 s 内从空中趋近并抓起一个地面指定位置水桶。

3. 多机器人阵列和协作

除了将螺旋线机器人在尺度和运动维度上进行拓展，作者还将螺旋机器人在数量上进行了拓展——设计了一种由螺旋机器人阵列组成的软手爪（如图7所示）。通过将其安装在刚性机械臂末端和简单的控制策略，本研究展示了该手爪可牢固地缠绕抓取各种复杂形状和尺寸的物体（如脸盆、耳机、数据线等）的能力。

综上，本文首次提出了一类具有高动作灵巧度、精细度及速度等优越性能的螺旋机器人。其设计原理源于对自然界生物肢体形态的对数螺旋线数学抽象，显著减少了软体机器人开发中的反复试错和仿真验证，具有普适性和可扩展性，可通过3D打印等快速成型方法进行多尺度（cm - m）和多种材质(聚氨酯、树脂和纸等)机器人的低成本制备。结合绳驱和仿生操作策略，该类机器人可在保持高性能水平的基准下实现维度（2D-3D）及应用场景多样化（如地面、空中及多个体协作等）的需求。本文提出的新型螺旋机器人技术有望进一步推进软体机器人的发展和成熟，为复杂抓取任务、人机交互、

低空经济产业等应用场景提供强大的技术支持和创新解决方案。

数字化转型室

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