中科大新研究-仿生章魚觸手！基于對數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)的新型螺旋軟體機(jī)器人問世

近期，中國科學(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)動的系統(tǒng)觀察和數(shù)學(xué)模型抽象，提出基于對數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)的新型螺旋軟體機(jī)器人，設(shè)計制備了一系列不同尺度（長度從cm到m）和材質(zhì)的原型機(jī)器人；結(jié)合仿生操作策略，通過簡單的繩索驅(qū)動復(fù)現(xiàn)了其可比擬生物肢體的運(yùn)動特征；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)雜動作和高效抓取。通過對這一規(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)用場景中展示了該類機(jī)器人在動作靈巧度、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)計原理

具有對數(shù)螺旋線形態(tài)的機(jī)器人可通過逆向設(shè)計方法實(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（如圖2所示）。作者在螺旋機(jī)器人的中心軸位置設(shè)計了一個厚度線性變化的彈性層，用以連接各個離散的單元，并為機(jī)器人在無驅(qū)動力作用下的展開運(yùn)動提供回復(fù)力。每個單元兩側(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)對螺旋機(jī)器人的一系列關(guān)鍵設(shè)計參數(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數(shù)量級的物體，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)動模式啟發(fā)，作者提出了一種仿生抓取策略以對螺旋機(jī)器人的運(yùn)動進(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階段：反卷、伸展、纏繞、抓握，其核心思想是利用螺旋線的時序卷曲和展開來實(shí)現(xiàn)對未知物體的包裹抓取。同時，本研究還引入了一種基于電流變化檢測的本體感知方法，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單的自動控制策略，該策略將平面上待抓取目標(biāo)物的位置映射成機(jī)器人繩索上的對抗驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)了對不同位置、不同物體的自動抓?。ǔ晒β蔬_(dá)94.4%）。

拓展設(shè)計和應(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，并在多個應(yīng)用場景中進(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)動下，可成功完成對目標(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?。?lt;1 s）（圖6D）。此外，作者設(shè)計制備了一條長度為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)計原理源于對自然界生物肢體形態(tài)的對數(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)用場景多樣化（如地面、空中及多個體協(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)用場景提供強(qiáng)大的技術(shù)支持和創(chuàng)新解決方案。