中國科學技術大學 Nikolaos Freris 特任教授課題組及其合作者魏熹特任副研究員在軟體機器人領域取得重要進展。
圖 1 螺旋機器人的設計原理及多種樣機。（A）螺旋線設計原理的仿生靈感來源。（B）本工作實現(xiàn)的代表性螺旋機器人。
圖 2 螺旋機器人的操作策略及應用展示。（A）仿生操作策略。（B）螺旋機器人在多維度和多場景中執(zhí)行復雜抓取和操作任務的展示。
該團隊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)和運動的系統(tǒng)觀察和數(shù)學模型抽象，首次提出基于對數(shù)螺旋線結構的新型螺旋軟體機器人，展示了其在多維度和多場景中執(zhí)行復雜抓取和操作任務的能力。
相關研究成果以 "SpiRobs: Logarithmic Spiral-shaped Robots for Versatile Grasping Across Scales" 為題，于 2024 年 12 月發(fā)表在 Cell Press（細胞出版社）旗下期刊 Device 上。
軟體機器人憑借其自身的安全性和靈活性而備受矚目，是機器人領域的前沿研究課題。然而，現(xiàn)有的軟體機器人在靈巧性、運動速度、協(xié)作交互等關鍵性能方面，仍然與自然界生物的柔性肢體間存在較大差距。
通過對多種生物的柔性肢體（象鼻、章魚觸手、海馬和變色龍尾巴等）的形態(tài)學共性進行數(shù)學抽象和建模，該研究團隊提出了一類具有普適性和可擴展性的軟體機器人 —— 螺旋機器人（如圖 1 所示），并系統(tǒng)研究了其設計理論、制備方法和操作策略，在多尺度、多材質(zhì)、多維度和協(xié)作交互等拓展應用場景中展示了該類機器人在動作靈巧度、精細度及速度等方面可比擬生物體的優(yōu)越性能。
圖 1 螺旋機器人的設計原理及多種樣機。（A）螺旋線設計原理的仿生靈感來源。（B）本工作實現(xiàn)的代表性螺旋機器人。
研究團隊提出一種逆向設計方法來實現(xiàn)螺旋機器人：首先確定機器人的極限卷曲形態(tài)（即遵循對數(shù)螺旋線方程），然后將螺旋線進行離散，展開得到機器人的直線形主體設計（如圖 2 所示）。該機器人通過采用 3D 打印加工成型，成本低、制備速度快，可實現(xiàn)高效優(yōu)化和快速迭代。
此外，研究團隊還進一步提出了一種仿生抓取策略，并基于簡單的電流感知和控制即可實現(xiàn)對不同位置、不同物體的自動抓取，克服了傳統(tǒng)方法中對于高精度傳感器和復雜建模與控制方法的依賴。在此基礎上，研究團隊展示了大量拓展設計（尺度從厘米到米不等）以及多機器人協(xié)作陣列。
圖 2 螺旋機器人的操作策略及應用展示。（A）仿生操作策略。（B）螺旋機器人在多維度和多場景中執(zhí)行復雜抓取和操作任務的展示。
這項研究提出的新型螺旋機器人技術有望進一步推進軟體機器人的發(fā)展和成熟，為復雜抓取任務、人機交互、低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)等應用場景提供技術支持和創(chuàng)新解決方案。
中國科學技術大學計算機科學與技術學院博士生王展翅為論文第一作者，其合作導師中國科學技術大學計算機科學與技術學院 Nikolaos Freris 特任教授和化學與材料科學學院魏熹特任副研究員為該論文共同通訊作者。
