【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院魏熹特任副研究員及其合作團(tuán)隊計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Nikolaos Freris特任教授課題組在軟體機器人領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)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(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”為題發(fā)表在Cell Press(細(xì)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(lǐng)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(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)隊首次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(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：螺旋機器人的設(shè)計原理及多種樣機。(A)螺旋線設(shè)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(tuán)隊提出一種逆向設(shè)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(jìn)行離散，展開得到機器人的直線形主體設(shè)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(tuán)隊還進(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)隊展示了大量拓展設(shè)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(yīng)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(fù)雜抓取和操作任務(wù)的展示。

 

　　這項研究提出的新型螺旋機器人技術(shù)有望進(jìn)一步推進(jìn)軟體機器人的發(fā)展和成熟，為復(fù)雜抓取任務(wù)、人機交互、低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)等應(yīng)用場景提供強大的技術(shù)支持和創(chuàng)新解決方案。
 

　　魏熹副研究員和Nikolaos Freris教授為共同通訊作者，其合作培養(yǎng)的中國科大博士研究生王展翅為該論文第一作者。