中科大设计新型螺旋软体机器人，实现对多尺度复杂物体多功能抓取

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。图丨基于该研究实现的代表性仿生螺旋机器人（来源：Device）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。近日，相关论文以《螺旋机器人：用于跨尺度多功能抓取的对数螺旋线机器人》（SpiRobs: Logarithmic spiral-shaped robots for versatile grasping across scales）为题在Cell姊妹刊Device上发表 [1]。中国科学技术大学博士研究生王展翅是第一作者，中国科学技术大学尼克（Nikolaos M. Freris）教授和魏熹副研究员担任共同通讯作者。图丨相关论文（来源：Device）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。该团队通过多个应用场景，对该新型螺旋机器人的性能进行了验证。其一，微型螺旋机器人。该机器人的总长度和尖端直径分别为 1 厘米和 0.14 毫米，能够在两根直径为 20 微米的细丝操控下，完成对蚂蚁等微小生物的抓取。图丨用于无创抓取小型生物的螺旋机器人（来源：Device）其二，由三根绳索驱动的螺旋机器人。在三根绳索的驱动下，该机器人可以实现目标物体抓取、高速定位击打以及非规则形体的快速抓取。（来源：Device）其三，多机器人阵列和协作。研究人员还设计了一种机器人阵列系统，其中每个机器人都是由三根绳索驱动，将其安装在刚性机械臂末端，可以实现对脸盆、耳机等各种复杂形状和尺寸的物体的牢固抓取。图丨一组用作抓取器的螺旋机器人（来源：Device）据了解，基于目前的研究，该课题组也正在探索螺旋软体机器人在医疗、救援等更多领域的应用潜力，并会通过进一步改进机器人的控制算法，来提高其稳定性和精度。该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。参考资料：1.Wang Z, Freris N M, Wei X. SpiRobs: Logarithmic spiral-shaped robots for versatile grasping across scales.Device, 2024.https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100646运营/排版：何晨龙

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