近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Nikolaos Freris教授課題組及其合作者魏熹副研究員基于對(duì)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(tài)和運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)觀察和數(shù)學(xué)模型抽象，提出基于對(duì)數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)的新型螺旋軟體機(jī)器人，設(shè)計(jì)制備了一系列不同尺度（長(zhǎng)度從cm到m）和材質(zhì)的原型機(jī)器人；結(jié)合仿生操作策略，通過簡(jiǎn)單的繩索驅(qū)動(dòng)復(fù)現(xiàn)了其可比擬生物肢體的運(yùn)動(dòng)特征；通過變化構(gòu)型及陣列協(xié)作，展示了其在多維度和多場(chǎng)景中執(zhí)行復(fù)雜抓取和操作任務(wù)的優(yōu)異性能。相關(guān)研究成果以 “SpiRobs: Logarithmic Spiral-shaped Robots for Versatile Grasping Across Scales" 為題發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Device上。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jiǎn)介

盡管在尺寸、生活環(huán)境（水生或陸生）以及解剖結(jié)構(gòu)（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(xiàn)出對(duì)數(shù)螺旋線形態(tài)，可輕易實(shí)現(xiàn)難以在人工裝置中復(fù)現(xiàn)的復(fù)雜動(dòng)作和高效抓取。通過對(duì)這一規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象和建模，該研究團(tuán)隊(duì)提出了一類具有普適性和可擴(kuò)展性的軟體機(jī)器人——螺旋機(jī)器人（如圖1所示），并系統(tǒng)研究了其設(shè)計(jì)理論、制備方法和操作策略，在多尺度、多材質(zhì)、多維度和協(xié)作交互等拓展應(yīng)用場(chǎng)景中展示了該類機(jī)器人在動(dòng)作靈巧度、精細(xì)度及速度等方面可比擬生物體的優(yōu)異性能。

螺旋機(jī)器人設(shè)計(jì)原理

具有對(duì)數(shù)螺旋線形態(tài)的機(jī)器人可通過逆向設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)：首先確定機(jī)器人的極限卷曲形態(tài)（即遵循對(duì)數(shù)螺旋線方程），然后將螺旋線進(jìn)行離散，展開得到機(jī)器人的直線形主體設(shè)計(jì)（如圖2所示）。作者在螺旋機(jī)器人的中心軸位置設(shè)計(jì)了一個(gè)厚度線性變化的彈性層，用以連接各個(gè)離散的單元，并為機(jī)器人在無驅(qū)動(dòng)力作用下的展開運(yùn)動(dòng)提供回復(fù)力。每個(gè)單元兩側(cè)均預(yù)留了小孔以供繩索穿過，機(jī)器人的卷曲與展開運(yùn)動(dòng)通過繩索的張緊和放松進(jìn)行控制。該結(jié)構(gòu)通過采用 3D 打印加工成型，成本低、制備速度快，可實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化和快速迭代。

該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)螺旋機(jī)器人的一系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)開展了深入研究。理論分析結(jié)果表明，該類機(jī)器人中心軸的最小曲率半徑沿機(jī)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(jī)器人的尖部具有更高的靈活度和動(dòng)作精細(xì)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(chǔ)。該研究還揭示了機(jī)器人的螺旋型身體展開后的形狀為嚴(yán)格的錐形（如圖3所示）；錐角越大，機(jī)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(shí)最大負(fù)載能力提高。以15°錐角的螺旋機(jī)器人為例，其可以抓取直徑變化超過兩個(gè)數(shù)量級(jí)的物體，最大負(fù)載可達(dá)其自重的260倍。

仿生操作策略

受章魚觸手的運(yùn)動(dòng)模式啟發(fā)，作者提出了一種仿生抓取策略以對(duì)螺旋機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)該過程（如圖4所示）。該策略主要包含四個(gè)階段：反卷、伸展、纏繞、抓握，其核心思想是利用螺旋線的時(shí)序卷曲和展開來實(shí)現(xiàn)對(duì)未知物體的包裹抓取。同時(shí)，本研究還引入了一種基于電流變化檢測(cè)的本體感知方法，無需外加傳感器即可實(shí)現(xiàn)高靈敏的接觸感知（例如，機(jī)器人與一根羽毛的接觸）。最后，本研究還展示了一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制策略，該策略將平面上待抓取目標(biāo)物的位置映射成機(jī)器人繩索上的對(duì)抗驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同位置、不同物體的自動(dòng)抓?。ǔ晒β蔬_(dá)94.4%）。

拓展設(shè)計(jì)和應(yīng)用

在上述研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)拓展了螺旋線機(jī)器人的設(shè)計(jì)，并在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)一步驗(yàn)證和探索其性能表現(xiàn)。

1.微型螺旋機(jī)器人

作者展示了一種微型螺旋機(jī)器人，其總長(zhǎng)度只有1 cm，尖部直徑為0.14 mm。該機(jī)器人采用摩方精密nanoArch® S130 （精度：2 μm）3D打印系統(tǒng)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(xì)絲驅(qū)動(dòng)下，該機(jī)器人能夠無損傷地抓取微小生物，如螞蟻。

2. 三根繩索驅(qū)動(dòng)的螺旋機(jī)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(zhuǎn)，設(shè)計(jì)出了具有3D卷曲能力的螺旋機(jī)器人（如圖6所示）。該機(jī)器人在三根繩索驅(qū)動(dòng)下，可成功完成對(duì)目標(biāo)物的立體抓?。▓D6B）、高速定位擊打（圖6C）和非規(guī)則形體的快速抓取（<1 s）（圖6D）。此外，作者設(shè)計(jì)制備了一條長(zhǎng)度為1 m 的螺旋機(jī)器人，并將其部署在無人機(jī)上搭建可遙控操作的空中抓取裝置。該系統(tǒng)可以成功的在3 s 內(nèi)從空中趨近并抓起一個(gè)地面特定位置水桶。

3. 多機(jī)器人陣列和協(xié)作

除了將螺旋線機(jī)器人在尺度和運(yùn)動(dòng)維度上進(jìn)行拓展，作者還將螺旋機(jī)器人在數(shù)量上進(jìn)行了拓展——設(shè)計(jì)了一種由螺旋機(jī)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(jī)械臂末端和簡(jiǎn)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(fù)雜形狀和尺寸的物體（如臉盆、耳機(jī)、數(shù)據(jù)線等）的能力。

綜上，本文提出了一類具有高動(dòng)作靈巧度、精細(xì)度及速度等優(yōu)異性能的螺旋機(jī)器人。其設(shè)計(jì)原理源于對(duì)自然界生物肢體形態(tài)的對(duì)數(shù)螺旋線數(shù)學(xué)抽象，顯著減少了軟體機(jī)器人開發(fā)中的反復(fù)試錯(cuò)和仿真驗(yàn)證，具有普適性和可擴(kuò)展性，可通過3D打印等快速成型方法進(jìn)行多尺度（cm - m）和多種材質(zhì)(聚氨酯、樹脂和紙等)機(jī)器人的低成本制備。結(jié)合繩驅(qū)和仿生操作策略，該類機(jī)器人可在保持高性能水平的基準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)維度（2D-3D）及應(yīng)用場(chǎng)景多樣化（如地面、空中及多個(gè)體協(xié)作等）的需求。本文提出的新型螺旋機(jī)器人技術(shù)有望進(jìn)一步推進(jìn)軟體機(jī)器人的發(fā)展和成熟，為復(fù)雜抓取任務(wù)、人機(jī)交互、低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景提供強(qiáng)大的技術(shù)支持和創(chuàng)新解決方案。