2025年5月18日，墨子沙龙邀请中国科学技术大学计算机科学教授Nikolaos M. Freris来到中国科学技术大学上海研究院做主题演讲，分享仿生软体机器人如何进行螺旋结构的复现。本文根据该直播内容整理而成。

感谢邀请，今天我很荣幸为大家做讲座，我将为大家介绍我们受自然生物启发而研制出的机器人。

首先我们讨论一下研究背景，这与如何处理、操控不同物体相关，物品的尺寸、形状、重量、材料等都不尽相同，我们可以看到这里陈列了诸多不同的物品。我们可以做出很多动作：抓取，移动，投掷、接住……我们制造出很多机器人，但它们无法全部做出这些动作，工程师创造出各种设计方案，但这些都是刚性机器人，用钢铁材料制成，因此也带来许多挑战，涉及安全性、速度、多功能性、耐用性等等。

由此激发了软体机器人的出现。软体机器人由软材料制成，例如硅胶、橡胶等。为什么需要软体机器人呢？因为不同于大型刚性机器人，软体机器人与人交互时的安全性更高，而且还能处理各种物品，如视频所示，拿起鸡蛋。但问题是这样的软体机器人设计简单，通常动作非常缓慢，也无法完成非常复杂的动作。

现在我想展示一下我们团队对软体机器人的设计和制备，灵感来源于自然生物。我们看到图片展示有大象、章鱼、变色龙和海马，这些都是完全不同的动物，生活在不同自然环境中，生理结构也各不相同。更重要的是，尺寸天差地别，庞大如大象，微小如海马。但我们观察到一个共同点：它们肢体的形态呈对数螺旋线。接下来就要回答两个非常重要的问题：我们如何在工程上复现出来？复现后又有什么优势？

以对数螺旋线为设计原理，就好在我们可以从头利用开始设计。思路是这样的：基于将对数螺旋线离散化，我们就能设计出各种软体机器人，如用单根绳索制备软体机器人。

所以，我们利用3D打印技术制备出机器人，优点很多：快速、简易、耐用，成本低廉。而且还有另一大优势，除了制备大型软体机器人之外，还可以将机器人拆分成一个个小部分。至于机器人的控制部分，也很简单，只需要添加一个电机，就能控制绳索，机器人会像章鱼一样动起来。

这就是我们使用单根绳索制备出的软体机器人，拉一下绳索就卷曲起来了。而这是我们使用两、三根绳索制备出的机器人，设计思路与单根绳索一样，但两根绳索呈中心轴镜像对称，而三根绳索则绕中心轴旋转。还能进行切割，如现场展品所示，能够牢牢抓取，同时减轻机器人本身的重量。

接下来我快速讲解一下几个特性。我们展开了大量数学分析，重点是我们的设计产生了非常美妙的特性：机器人展开后最终呈锥形，这样3D打印能更快速、更好地保留住机器人的重要结构特性。

第二个特性偏技术性，即曲率和长度线性的关系。我们可以看到，这种软体机器人的尖端要比底部更灵活，更柔性，就如同章鱼触须一样，能快速移动，迅速抓取食物。

第三个是空间特性分析，即机器人能够接触到的空间范围。随后是机器人能抓取多少物品，负载重量几何。我们的软体机器人能够抓取非常轻巧的物品，例如电线，也能抓取和自身长度（约11厘米）等长的物品，例如鸡蛋。不仅如此，机器人本身重量很轻，像这个只有39克，但它很强壮，能拎起10千克中的哑铃，抓取最大负载可达自重的260倍。这样的设计相当独特，在自然界中也相当罕见，很少有动物能够做到。

总而言之，经过大量分析和汇总，软体机器人的制备主要取决于3个参数。基于此，我们制备出100多台原型样机，现场就有几台。

接下来，我会详细讲述软体机器人的抓取策略，之后也会做现场展示，主要涉及如何抓取物品。我们采用的是仿生策略，受章鱼手臂运动启发。我们能看到它们如何运动的：向前伸展，触碰物品，卷曲手臂包裹物品，最终抓取到食物。

基于此，我们可以通过控制绳索拉力来实现同样的抓取策略。这里的图片逐一展示了整个过程。我们只需拉动绳索，就完美复制了章鱼手臂运动的整个过程。

这两个视频展示了其可行性，左边我们能看到它如何抓取易碎的鸡蛋，而右边则看到机器人抽取出一张纸巾，要完成这个动作其实挑战相当大。这两个动作完成的速度非常快，动作也及其灵活。

我们还证明了模仿章鱼手臂的策略对于适应各种方位也很重要。所以，下一个现实问题是如何实现自动控制？在看视频之前，我们引入了一个非常简单的设计思路：机器人碰到物体的时候，通过电流监测产生触感。我们的视频展示了机器人碰到即便轻如羽毛的物品，它立刻就知道自己触碰到什么物品了，灵敏度极高，仅凭电流监测就能做到，没有摄像头，也没有什么复杂设计，思路很简单。

基于上述所有思路，我们采用非常简答的策略便能实现接触检测。基于物体方位，通过控制绳索驱动力，也就说，我们唯一要知道的就是物品在哪里。然后，我们就能自动检测接触，接触到后就包裹、抓取。就这么简单。

我们用不同大小、处于不同位置的物品展开实验，效果尤为显著。

接下来，我会展示几个不同的实例，物品的尺寸、形状、重量都不一样，有圆珠笔、草莓、玩具骰子，还有菠萝。一般情况下，机器人只能处理特定物品，而不是各种物品。但这里我们看到，软体机器人采用完全一样的策略，不需要特别复杂的操作控制，就能抓取到所有上述物品。这便是我们方法的通用性：同一台机器人能处理不同物品。

这两段视频则展示了机器人能越过障碍物，在受限空间内抓取或者放下物品。能实现这一能力的原理则基于几何学，机器人本身的设计和所使用的制备材料自然能让它们灵活导航、弯曲变形，无需更多外部力控制。

接下来我们看到真实速度下运动的机器人，它们速度很快，动起来就和章鱼手臂一样。右边的视频则展示机器人抛掷物品，就像大象用象鼻投掷物品一样。

这个视频展示了机器人鞭打小球的过程，而右边视频则能够抓取更加复杂的物品。

下一个特性是我们非常引以为豪，也是独一无二的优势：拓展性。我们可以制备出长达几米的机器人，也可以制备出几毫米的机器人。图上我们看到机器人可以小到什么程度，请注意这是只蚂蚁。而抓取蚂蚁的操作与其他操作毫无二致。请看一下展示视频，机器人尖端只有2毫米，但能抓起一只蚂蚁。尺寸及其微小，但抓取思路完全一样。

这是机器人与无人机结合的应用场景，可以跟着无人机一起飞上去，同时还能抓起水桶。

这是我们之后会展示的设计方案，我们把几条机械手臂组合起来，只通过两个电机控制，然后就像章鱼一样能抓取物品，如视频所示。下面会展示更多应用场景。我们会看到完全不同的物品，而且有些物品从几何学角度来说抓取难度极大，其他类型的机器人几乎抓不起来。接下来，在看其他展示之前，我们还能看到这里有帽子等，都是同一台机器人，抓取不同物品。

现在总结一下，我们的设计具有可拓展性，也就是说，既能制备非常非常小的机器人，也能制备非常非常大的机器人。然后我们还要理解其中非常重要的参数：灵活性、操作空间，重量和尺寸，我们都做过实践分析，不仅仅是理论温习。应用范围可以从无人机，到生物医学，到娱乐，还有太空探索。

在观看视频之前，我现场展示一下机器人的控制原理，通过拉扯绳索，机器人可以以极快的速度运动。重点是，如果你拉扯的速度非常快，机器人就会蜷缩成我们展示过的螺旋形。我们还能拉扯三条绳索，做出更加复杂的运动，看着好像活的一样。但实际控制异常简单，只要拉扯绳索就行了，就像操纵木偶一样。

一切从螺旋形开始，制备出的机器人一下子看上去就像章鱼手臂一样。我们能看到运动的真实速度有多快，这就是原速，动作非常快。

这是章鱼抓取的动作，和我们的机器人所采取的抓取策略如出一辙。

抓取鸡蛋，鸡蛋其实很脆弱，不小心就会捏碎。抓取草莓，抽取纸巾，都没怎么碰到，非常快，难度很高；触碰灵敏性，对于接触非常敏感；同一机器人抓取不同物品，抓取策略都是一样的；穿过受限空间，越过障碍物、门，放下物品；在没有过多控制的情况下接住抛过来的网球，自动抓取网球。抓取之后，再抛掷物品，能控制抛掷速度和方向。

这是我们非常自豪的成品，极其微小的机器人，微型化机器人。然后从微型机器人拓展至大型机器人，以非常复杂的三维方式螺旋抓起物品。

鞭打球，全自动，非常简单的动作。然后是鞭打处于不同位置的球。过鞭抽抓取物品，这是慢速播放，能看清具体过程，实际上原速非常快。

户外无人机应用，非常快，一下子就拎起来飞走了。应用相当广泛。

接下来是很酷的机器人阵列，就和章鱼一摸一样，同时使用所有机器手臂，自动抓取，提起，放下，各种各样的物品，注意看最后两个，机器人是怎么抓起来的。

最后我想感谢我们的研究得到了广泛的关注，很多国内外媒体都有报道，成果很受欢迎，我们很开心。我要特别感谢魏熹教授，没有她就没有我们的成果。

墨子沙龙是2016年潘建伟院士提倡，由中国科学技术大学上海研究院及上海市浦东新区南七量子科技交流中心主办的科普论坛。经费由中国科大新创校友基金会捐赠资助。沙龙的科普对象范围从对科学有浓厚兴趣的中学生到成年人，旨在通过科普讲坛、和科学家面对面的方式对他们进行专业的科学启蒙。以上海为中心向全国发散，通过讲座、视频、网络公开课、科普订阅号等多种方式开展科普活动。

来源 | 墨子沙龙