大家一定會對章魚觸手、象鼻、海馬尾巴等生物肢體印象深刻，它們具有柔軟、靈巧、高效的運動能力，甚至在一些科幻電影中，也有類似章魚觸手的仿生裝置。

中國科學技術大學受章魚觸手和象鼻等生物肢體的形態共性啟發，研制了一類螺旋機器人，為仿生軟體機器人的設計和操控提供了新思路。

01 破解自然界的“密碼”

研究團隊發現，盡管在尺寸（長度從幾厘米到數米）、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，但自然界中多種生物肢體均呈現出對數螺旋線形態，并且可以輕易實現復雜動作和高效抓取。

通過對這一規律的研究，研究團隊提出了一類可復現生物螺旋形態的軟體機器人及其設計理論、實現方法和操控策略。

▲生物肢體的螺旋線形態及本研究所設計的螺旋機器人部分樣機

研究團隊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并展開，以得到機器人的直線型主體設計。機器人可采用3D打印加工成型，制作成本低且制備速度快。

由于機器人采用了螺旋線的設計，越靠近尖端，卷曲程度越高。這一特性使得機器人的尖端具有高靈活度及動作精細度，也使得機器人的負載能力大大增強。

機器人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。

02 仿生操作新策略

受章魚觸手的運動模式啟發，研究團隊還提出了一種仿生抓取策略，以對螺旋機器人的運動進行操控。

該策略將機器人的抓取運動主要分成四個行為：反卷、伸展、纏繞、抓握，并基于這些行為的組合實現對未知物體的卷纏抓取。

研究還引入了一種基于電流變化檢測的機器人本體感知方法，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），進一步提高抓取的準確度，實現功能的多樣性。

03 拓展協作易于適配

基于上述研究，團隊展示了螺旋機器人的大量拓展設計，其長度從厘米到米不等，可由不同材質制備，實現2D或3D運動，且可進行多機器人陣列協作。該類機器人也易于部署在機械臂及無人機等載體上。

其中，微型螺旋機器人總長度為10毫米，尖端直徑僅為0.14毫米，可以無損地抓住活動的螞蟻。大型螺旋機器人長度可達1米，可以在1秒內抓取桌上指定位置的耳機，也可部署到無人機上從空中抓取地面上的水桶。多機器人協作陣列可以像真正的章魚一樣，通過復雜的纏繞和包裹完成對尺度形貌差異巨大的物體的高效穩定抓取。

螺旋機器人作為仿生軟體機器人中的新成員，有望為復雜抓取任務、人機交互、低空經濟產業等應用場景提供重要技術支持和創新解決方案。

轉自“中科院之聲”微信公眾號

文字：王展翅、Nikolaos M. Freris（計算機學院AIoT實驗室）