IT之家 1 月 7 日消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 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(jī)器人領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
該團(tuán)隊(duì)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，首次提出基于對數(shù)螺旋線結(jié)構(gòu)的新型螺旋軟體機(jī)器人，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)的能力。
相關(guān)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(xì)胞出版社）旗下期刊 Device 上。
軟體機(jī)器人憑借其自身的安全性和靈活性而備受矚目，是機(jī)器人領(lǐng)域的前沿研究課題。然而，現(xiàn)有的軟體機(jī)器人在靈巧性、運(yùn)動速度、協(xié)作交互等關(guān)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(xué)共性進(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(jì)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)越性能。
圖 1 螺旋機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理及多種樣機(jī)。（A）螺旋線設(shè)計(jì)原理的仿生靈感來源。（B）本工作實(shí)現(xiàn)的代表性螺旋機(jī)器人。
研究團(tuán)隊(duì)提出一種逆向設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)螺旋機(jī)器人：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(jì)（如圖 2 所示）。該機(jī)器人通過采用 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。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)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(shí)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(fù)雜建模與控制方法的依賴。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)展示了大量拓展設(shè)計(jì)（尺度從厘米到米不等）以及多機(jī)器人協(xié)作陣列。
圖 2 螺旋機(jī)器人的操作策略及應(yīng)用展示。（A）仿生操作策略。（B）螺旋機(jī)器人在多維度和多場景中執(zhí)行復(fù)雜抓取和操作任務(wù)的展示。
這項(xiàng)研究提出的新型螺旋機(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)用場景提供技術(shù)支持和創(chuàng)新解決方案。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生王展翅為論文第一作者，其合作導(dǎo)師中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 Nikolaos Freris 特任教授和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院魏熹特任副研究員為該論文共同通訊作者。
