中科大新研究-仿生章魚觸手！基于對數螺旋線結構的新型螺旋軟體機器人問世

近期，中國科學技術大學Nikolaos Freris教授課題組及其合作者魏熹副研究員基于對自然界中多種生物柔性肢體（如象鼻、章魚觸手、海馬和變色龍尾巴）形態和運動的系統觀察和數學模型抽象，提出基于對數螺旋線結構的新型螺旋軟體機器人，設計制備了一系列不同尺度（長度從cm到m）和材質的原型機器人；結合仿生操作策略，通過簡單的繩索驅動復現了其可比擬生物肢體的運動特征；通過變化構型及陣列協作，展示了其在多維度和多場景中執行復雜抓取和操作任務的優異性能。相關研究成果以 “SpiRobs: Logarithmic Spiral-shaped Robots for Versatile Grasping Across Scales" 為題發表在Cell Press細胞出版社旗下期刊Device上。中國科學技術大學博士生王展翅為該論文第一作者，Nikolaos Freris教授和魏熹副研究員為通訊作者。

研究簡介

盡管在尺寸、生活環境（水生或陸生）以及解剖結構（有骨骼和無骨骼）等方面存在較大差異，自然界中多種生物肢體均呈現出對數螺旋線形態，可輕易實現難以在人工裝置中復現的復雜動作和高效抓取。通過對這一規律進行數學抽象和建模，該研究團隊提出了一類具有普適性和可擴展性的軟體機器人——螺旋機器人（如圖1所示），并系統研究了其設計理論、制備方法和操作策略，在多尺度、多材質、多維度和協作交互等拓展應用場景中展示了該類機器人在動作靈巧度、精細度及速度等方面可比擬生物體的優異性能。

螺旋機器人設計原理

具有對數螺旋線形態的機器人可通過逆向設計方法實現：首先確定機器人的極限卷曲形態（即遵循對數螺旋線方程），然后將螺旋線進行離散，展開得到機器人的直線形主體設計（如圖2所示）。作者在螺旋機器人的中心軸位置設計了一個厚度線性變化的彈性層，用以連接各個離散的單元，并為機器人在無驅動力作用下的展開運動提供回復力。每個單元兩側均預留了小孔以供繩索穿過，機器人的卷曲與展開運動通過繩索的張緊和放松進行控制。該結構通過采用 3D 打印加工成型，成本低、制備速度快，可實現高效優化和快速迭代。

該研究團隊對螺旋機器人的一系列關鍵設計參數開展了深入研究。理論分析結果表明，該類機器人中心軸的最小曲率半徑沿機器人身體線性變化：越靠近尖部，曲率半徑越小。這一特性使得機器人的尖部具有更高的靈活度和動作精細度，也是其可纏繞抓取各種尺寸物體（尤其是小尺寸物體）的重要基礎。該研究還揭示了機器人的螺旋型身體展開后的形狀為嚴格的錐形（如圖3所示）；錐角越大，機器人的工作空間越小，其可抓握的最大和最小的物體直徑均越小，但同時最大負載能力提高。以15°錐角的螺旋機器人為例，其可以抓取直徑變化超過兩個數量級的物體，最大負載可達其自重的260倍。

仿生操作策略

受章魚觸手的運動模式啟發，作者提出了一種仿生抓取策略以對螺旋機器人的運動進行控制，通過在兩根繩索上分別施加分段且線性變化的拮抗力成功實現該過程（如圖4所示）。該策略主要包含四個階段：反卷、伸展、纏繞、抓握，其核心思想是利用螺旋線的時序卷曲和展開來實現對未知物體的包裹抓取。同時，本研究還引入了一種基于電流變化檢測的本體感知方法，無需外加傳感器即可實現高靈敏的接觸感知（例如，機器人與一根羽毛的接觸）。最后，本研究還展示了一種簡單的自動控制策略，該策略將平面上待抓取目標物的位置映射成機器人繩索上的對抗驅動力，實現了對不同位置、不同物體的自動抓取（成功率達94.4%）。

拓展設計和應用

在上述研究基礎上，該團隊拓展了螺旋線機器人的設計，并在多個應用場景中進一步驗證和探索其性能表現。

1.微型螺旋機器人

作者展示了一種微型螺旋機器人，其總長度只有1 cm，尖部直徑為0.14 mm。該機器人采用摩方精密nanoArch® S130 （精度：2 μm）3D打印系統和摩方精密韌性光敏樹脂（ST1400）打印成型（如圖5 所示）。在兩根直徑為20微米的細絲驅動下，該機器人能夠無損傷地抓取微小生物，如螞蟻。

2. 三根繩索驅動的螺旋機器人

作者將由螺旋線離散化所獲得的一系列單元繞中心軸旋轉，設計出了具有3D卷曲能力的螺旋機器人（如圖6所示）。該機器人在三根繩索驅動下，可成功完成對目標物的立體抓取（圖6B）、高速定位擊打（圖6C）和非規則形體的快速抓取（<1 s）（圖6D）。此外，作者設計制備了一條長度為1 m 的螺旋機器人，并將其部署在無人機上搭建可遙控操作的空中抓取裝置。該系統可以成功的在3 s 內從空中趨近并抓起一個地面特定位置水桶。

3. 多機器人陣列和協作

除了將螺旋線機器人在尺度和運動維度上進行拓展，作者還將螺旋機器人在數量上進行了拓展——設計了一種由螺旋機器人陣列組成的軟手爪（如圖7所示）。通過將其安裝在剛性機械臂末端和簡單的控制策略，本研究展示了該手爪可牢固地纏繞抓取各種復雜形狀和尺寸的物體（如臉盆、耳機、數據線等）的能力。

綜上，本文提出了一類具有高動作靈巧度、精細度及速度等優異性能的螺旋機器人。其設計原理源于對自然界生物肢體形態的對數螺旋線數學抽象，顯著減少了軟體機器人開發中的反復試錯和仿真驗證，具有普適性和可擴展性，可通過3D打印等快速成型方法進行多尺度（cm - m）和多種材質(聚氨酯、樹脂和紙等)機器人的低成本制備。結合繩驅和仿生操作策略，該類機器人可在保持高性能水平的基準下實現維度（2D-3D）及應用場景多樣化（如地面、空中及多個體協作等）的需求。本文提出的新型螺旋機器人技術有望進一步推進軟體機器人的發展和成熟，為復雜抓取任務、人機交互、低空經濟產業等應用場景提供強大的技術支持和創新解決方案。