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研究亮点

研究简介

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（如图1所示），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。

螺旋机器人设计原理

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（如图2所示）。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。

仿生操作策略

受章鱼触手的运动模式启发，作者提出了一种仿生抓取策略以对螺旋机器人的运动进行控制，通过在两根绳索上分别施加分段且线性变化的拮抗力成功实现该过程（如图4所示）。该策略主要包含四个阶段：反卷、伸展、缠绕、抓握，其核心思想是利用螺旋线的时序卷曲和展开来实现对未知物体的包裹抓取。同时，本研究还引入了一种基于电流变化检测的本体感知方法，无需外加传感器即可实现高灵敏的接触感知（例如，机器人与一根羽毛的接触）。最后，本研究还展示了一种简单的自动控制策略，该策略将平面上待抓取目标物的位置映射成机器人绳索上的对抗驱动力，实现了对不同位置、不同物体的自动抓取（成功率达94.4%）。

拓展设计和应用

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，采用3D打印光敏树脂成型（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。

总结

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。

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Device，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文