新型螺旋機(jī)器人，讓“科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)”

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(yùn)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(xué)技術(shù)大學(xué)受章魚觸手和象鼻等生物肢體的形態(tài)共性啟發(fā)，研制了一類螺旋機(jī)器人，為仿生軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和操控提供了新思路。

01 破解自然界的“密碼”

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管在尺寸（長度從幾厘米到數(shù)米）、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，但自然界中多種生物肢體均呈現(xiàn)出對數(shù)螺旋線形態(tài)，并且可以輕易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動作和高效抓取。

通過對這一規(guī)律的研究，研究團(tuán)隊(duì)提出了一類可復(fù)現(xiàn)生物螺旋形態(tài)的軟體機(jī)器人及其設(shè)計(jì)理論、實(shí)現(xiàn)方法和操控策略。

▲生物肢體的螺旋線形態(tài)及本研究所設(shè)計(jì)的螺旋機(jī)器人部分樣機(jī)

研究團(tuán)隊(duì)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)行離散并展開，以得到機(jī)器人的直線型主體設(shè)計(jì)。機(jī)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(jī)器人采用了螺旋線的設(shè)計(jì)，越靠近尖端，卷曲程度越高。這一特性使得機(jī)器人的尖端具有高靈活度及動作精細(xì)度，也使得機(jī)器人的負(fù)載能力大大增強(qiáng)。

機(jī)器人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。

02 仿生操作新策略

受章魚觸手的運(yùn)動模式啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)還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)行操控。

該策略將機(jī)器人的抓取運(yùn)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(shí)現(xiàn)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(jī)器人本體感知方法，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），進(jìn)一步提高抓取的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

03 拓展協(xié)作易于適配

基于上述研究，團(tuán)隊(duì)展示了螺旋機(jī)器人的大量拓展設(shè)計(jì)，其長度從厘米到米不等，可由不同材質(zhì)制備，實(shí)現(xiàn)2D或3D運(yùn)動，且可進(jìn)行多機(jī)器人陣列協(xié)作。該類機(jī)器人也易于部署在機(jī)械臂及無人機(jī)等載體上。

其中，微型螺旋機(jī)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(jī)器人長度可達(dá)1米，可以在1秒內(nèi)抓取桌上指定位置的耳機(jī)，也可部署到無人機(jī)上從空中抓取地面上的水桶。多機(jī)器人協(xié)作陣列可以像真正的章魚一樣，通過復(fù)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(wěn)定抓取。

螺旋機(jī)器人作為仿生軟體機(jī)器人中的新成員，有望為復(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)用場景提供重要技術(shù)支持和創(chuàng)新解決方案。

轉(zhuǎn)自“中科院之聲”微信公眾號

文字：王展翅、Nikolaos M. Freris（計(jì)算機(jī)學(xué)院AIoT實(shí)驗(yàn)室）