新型螺旋机器人，让“科幻走进现实” | 科技前线

大家一定会对章鱼触手、象鼻、海马尾巴等生物肢体印象深刻，它们具有柔软、灵巧、高效的运动能力，甚至在一些科幻电影中，也有类似章鱼触手的仿生装置。



中国科学技术大学受章鱼触手和象鼻等生物肢体的形态共性启发，研制了一类螺旋机器人，为仿生软体机器人的设计和操控提供了新思路。






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破解自然界的“密码”






研究团队发现，尽管在尺寸（长度从几厘米到数米）、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，但自然界中多种生物肢体均呈现出对数螺旋线形态，并且可以轻易实现复杂动作和高效抓取。


通过对这一规律的研究，研究团队提出了一类可复现生物螺旋形态的软体机器人及其设计理论、实现方法和操控策略。




▲生物肢体的螺旋线形态及本研究所设计的螺旋机器人部分样机


研究团队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并展开，以得到机器人的直线型主体设计。机器人可采用3D打印加工成型，制作成本低且制备速度快。


由于机器人采用了螺旋线的设计，越靠近尖端，卷曲程度越高。这一特性使得机器人的尖端具有高灵活度及动作精细度，也使得机器人的负载能力大大增强。


机器人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。


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仿生操作新策略






受章鱼触手的运动模式启发，研究团队还提出了一种仿生抓取策略，以对螺旋机器人的运动进行操控。


该策略将机器人的抓取运动主要分成四个行为：反卷、伸展、缠绕、抓握，并基于这些行为的组合实现对未知物体的卷缠抓取。

▲该工作提出的仿生操作策略

研究还引入了一种基于电流变化检测的机器人本体感知方法，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），进一步提高抓取的准确度，实现功能的多样性。


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拓展协作易于适配






基于上述研究，团队展示了螺旋机器人的大量拓展设计，其长度从厘米到米不等，可由不同材质制备，实现2D或3D运动，且可进行多机器人阵列协作。该类机器人也易于部署在机械臂及无人机等载体上。


其中，微型螺旋机器人总长度为10毫米，尖端直径仅为0.14毫米，可以无损地抓住活动的蚂蚁。大型螺旋机器人长度可达1米，可以在1秒内抓取桌上指定位置的耳机，也可部署到无人机上从空中抓取地面上的水桶。多机器人协作阵列可以像真正的章鱼一样，通过复杂的缠绕和包裹完成对尺度形貌差异巨大的物体的高效稳定抓取。




▲螺旋机器人的拓展设计和应用展示


螺旋机器人作为仿生软体机器人中的新成员，有望为复杂抓取任务、人机交互、低空经济产业等应用场景提供重要技术支持和创新解决方案。


来源：中国科学技术大学责任编辑：王颖

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