中国科大研发新型螺旋软体机器人：基于对数螺旋线结构实现多场景应用
中国科大研发新型螺旋软体机器人：基于对数螺旋线结构实现多场景应用
中国科学技术大学Nikolaos Freris教授团队近期在软体机器人领域取得重要突破，成功研发出基于对数螺旋线结构的新型螺旋软体机器人。这一创新成果发表在Cell Press旗下期刊Device上，为软体机器人技术的发展开辟了新的方向。
研究背景与意义
象鼻、章鱼触手等自然界生物的柔性肢体为软体机器人研究提供了重要的仿生灵感。然而，现有的软体机器人在灵巧性、运动速度、协作交互等关键性能方面，仍然与生物体之间存在较大差距。同时，其实现还面临缺乏普适性设计理论、制造和运动控制复杂等挑战。
研究创新与突破
中国科学技术大学Nikolaos Freris教授课题组及其合作者魏熹副研究员基于对自然界中多种生物柔性肢体（如象鼻、章鱼触手、海马和变色龙尾巴）形态和运动的系统观察和数学模型抽象，首次提出基于对数螺旋线结构的新型螺旋软体机器人。研究团队设计制备了一系列不同尺度（长度从cm到m）和材质的原型机器人；结合仿生操作策略，通过简单的绳索驱动复现了其可比拟生物肢体的运动特征；通过变化构型及阵列协作，展示了其在多维度和多场景中执行复杂抓取和操作任务的优越性能。
关键技术与应用
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。研究团队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。
仿生操作策略
受章鱼触手的运动模式启发，研究团队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。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%）。
拓展设计与应用
研究团队在上述研究基础上，进一步拓展了螺旋线机器人的设计，并在多个应用场景中验证和探索其性能表现。
微型螺旋机器人：首次展示了一种总长度只有1 cm、尖端直径为0.14 mm的微型螺旋机器人，采用3D打印光敏树脂成型。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。
三根绳索驱动的螺旋机器人：设计出了具有3D卷曲能力的螺旋机器人，在三根绳索驱动下，可成功完成对目标物的立体抓取、高速定位击打和非规则形体的快速抓取。此外，研究团队还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。该系统可以在3秒内从空中趋近并抓起一个地面指定位置的水桶。
多机器人阵列和协作：设计了一种由螺旋机器人阵列组成的软手爪，通过将其安装在刚性机械臂末端和简单的控制策略，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。
总结与展望
这项研究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。这一创新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。
论文信息：
论文标题：SpiRobs: Logarithmic Spiral-shaped Robots for Versatile Grasping Across Scales
论文网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666998624006033
DOI：https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100646
本文原文来自澎湃号