告別笨重鋼爪！MIT/斯坦福讓機(jī)器人用“溫柔藤蔓”搬運(yùn)人體

一根看似普通的充氣軟管緩緩探入人體與床墊間的縫隙，幾秒鐘后從另一側(cè)鉆出，在空中完成一次優(yōu)雅的自鎖扣合，一張由機(jī)器人編織的柔性擔(dān)架就此成型，將一位身高170cm、體重74公斤的成年人平穩(wěn)托起。

最近，來自麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)在權(quán)威期刊《Science Advance》展示了一項(xiàng)機(jī)器人突破性技術(shù)：“環(huán)閉合抓取”。

這項(xiàng)技術(shù)讓機(jī)器人抓手獲得了“拓?fù)渥冃巍钡某芰Γ茉谛枰獣r(shí)從靈活探索的章魚觸手模式，一鍵切換為穩(wěn)固承重的起重吊帶模式 ，成功解決了困擾機(jī)器人領(lǐng)域多年的力量與輕柔靈活不可兼得”的難題。

▍兩難困境：機(jī)器人抓取的“強(qiáng)度+輕柔”難以權(quán)衡

現(xiàn)實(shí)生活中，讓一個(gè)機(jī)器人去完成兩項(xiàng)任務(wù)：一是從一堆雞蛋中穩(wěn)穩(wěn)拿起一枚，二是從地上提起一桶20升的礦泉水。

對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人抓手而言，這幾乎是道無解題。要輕柔拿雞蛋，抓手必須足夠軟；要提起重物，抓手又必須足夠硬。剛性與柔順，在單一形態(tài)的機(jī)械設(shè)計(jì)中被鎖死在蹺蹺板的兩端。

這正是當(dāng)前機(jī)器人抓取技術(shù)的核心困境。研究人員將抓取過程拆解為兩個(gè)階段：建立抓取和保持抓取。

第一階段如同偵探工作，機(jī)械末端需要像人類手指一樣靈活探索，在復(fù)雜環(huán)境中找到抓取物體的最佳路徑和姿態(tài)。

第二階段則像舉重運(yùn)動(dòng)員的工作，需要穩(wěn)定輸出力量，抵抗重力、慣性等各種干擾，同時(shí)不能因壓力過大而損壞物體。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)被迫在這兩種矛盾需求間做出妥協(xié)，也就是為增加力量而犧牲靈活性，或?yàn)樽非箪`活而放棄負(fù)重能力。

▍拓?fù)淠Хǎ鹤寵C(jī)器人在兩種形態(tài)間自由切換

麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的團(tuán)隊(duì)想出了一個(gè)絕妙方案：“為什么不讓機(jī)器人在不同階段變成不同的東西呢？”

他們從拓?fù)鋵W(xué)中汲取靈感，提出了“環(huán)閉合抓取”范式，其核心是一種巧妙的形態(tài)切換機(jī)制。

環(huán)閉合抓取概述

第一階段：開啟探索模式。機(jī)器人以開環(huán)形態(tài)啟動(dòng)，就像一條可以無限生長的柔軟藤蔓，其末端自由移動(dòng)，在物體周圍執(zhí)行復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù)。它可以鉆進(jìn)人類手指都難以觸及的縫隙，在雜亂環(huán)境中規(guī)劃出最優(yōu)抓取路徑。

關(guān)鍵瞬間：執(zhí)行拓?fù)渥儞Q。當(dāng)藤蔓末端完成環(huán)繞，抵達(dá)基座附近的鎖定點(diǎn)時(shí)，一個(gè)特制的固定機(jī)構(gòu)會(huì)將其牢固鎖定。就在這一瞬間，開環(huán)變閉環(huán)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生根本性改變。

第二階段：啟動(dòng)承載模式。系統(tǒng)泄去內(nèi)部氣壓，機(jī)器人身體變得像安全帶一樣柔軟，但強(qiáng)度絲毫未減。此刻，它不再試圖用硬扛的方式承重，而是像吊床一樣，純粹通過材料拉伸來分散載荷。

這其中原理，就像魔術(shù)師手中的環(huán)，分開時(shí)是靈活的長鏈，扣合后就成了堅(jiān)固的承載圈。

▍藤蔓機(jī)器人：自然界生長策略的機(jī)械復(fù)刻

雖然探索出實(shí)現(xiàn)理想狀態(tài)的架構(gòu)，但要讓這種機(jī)制能夠在開環(huán)和閉環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，還需要一種特殊的機(jī)器人身體——具備極致的柔韌靈活性和可靠的強(qiáng)度。

研究團(tuán)隊(duì)給出了答案：柔性充氣機(jī)器人，更常被稱為“藤蔓機(jī)器人”。

這種受生物學(xué)啟發(fā)的設(shè)計(jì)聰明地模仿了植物的生長方式，通過內(nèi)部充氣壓力推動(dòng)自身材料從尖端外翻，實(shí)現(xiàn)像植物藤蔓一樣的生長。它完美契合了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心原則。

此外，為滿足環(huán)路閉合抓取的要求，團(tuán)隊(duì)為這套系統(tǒng)開發(fā)了一套模塊化組件，一組用于大規(guī)模抓取，另一組用于小規(guī)模抓取，分別包含：加壓生長的基座、作為本體的藤蔓機(jī)器人，以及用于鎖閉環(huán)路的末端固定絞盤裝置。

值得注意的是，單個(gè)閉環(huán)藤蔓機(jī)器人最大負(fù)載能力可達(dá)622 kg。

閉合回路抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)和組件設(shè)計(jì)

在本次研究中，藤蔓機(jī)器人展示了令人驚嘆的特性：

空間滲透大師：直徑僅26毫米的藤蔓，能鉆進(jìn)17毫米的縫隙（比自身窄35%），像蛇一樣在雜亂零件堆中游走，精準(zhǔn)定位目標(biāo)。

靜默探索者：生長過程中幾乎不產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，可以悄無聲息地滑入人體與床墊之間，而不打擾休息者。

變形金剛：充氣時(shí)保持管狀結(jié)構(gòu)以利導(dǎo)航，放氣后管壁塌陷成帶狀，彎曲剛度趨近于零，卻能承受數(shù)百公斤的拉力。

▍場景演示：從舉起人類到纏繞鎖定

研究中展示的應(yīng)用場景，讀起來就像一份“不可能任務(wù)清單”，但這套系統(tǒng)卻逐一輕松完成。

• 人體安全轉(zhuǎn)移：比醫(yī)用吊帶更溫和

在最具人文關(guān)懷的演示中，兩根藤蔓從床上方垂下，輕柔滑入志愿者身下，在空中鎖定成環(huán)，將74.1公斤的成年人平穩(wěn)抬離床面25厘米。傳感器顯示，最大接觸壓力僅16.95千帕，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用吊帶（>26.7千帕）。

• 雜物尋寶：在混亂中精準(zhǔn)抓取

在一個(gè)裝滿螺栓、齒輪等雜物的箱子中，單根藤蔓像擁有自主意識(shí)般繞過重重障礙，找到并環(huán)繞一個(gè)6.8公斤壺鈴的手柄，然后穩(wěn)穩(wěn)提起，完美解決了“在干草堆里找針并撿起來”的經(jīng)典機(jī)器人難題。

• 纏繞鎖定：創(chuàng)造永不脫落的抓取

最有趣的演示之一是“霍普夫鏈環(huán)”抓取。藤蔓主動(dòng)穿過水桶把手自身的孔洞后閉合成環(huán)，與把手形成拓?fù)鋵W(xué)上的互鎖結(jié)構(gòu)。只要藤蔓不斷，物體就絕對(duì)無法脫離，實(shí)現(xiàn)了理論上的無限穩(wěn)定。

此外，系統(tǒng)還展示了抓取西瓜不壓裂、從3米外拖回箱子、甚至讓被抓取的圓柱體在空中旋轉(zhuǎn)等技能，全面證明了其“剛?cè)岵?jì)，大小通吃”的能力。

抓握多功能性演示

牽引和提升演示

▍未來展望：重新定義機(jī)器人手的形態(tài)與邊界

這項(xiàng)研究重新定義了我們對(duì)機(jī)器人抓取的理解，它不再是為了找到最好的抓手，而是讓抓手能夠隨時(shí)變成我們需要的樣子。這種思路一換，許多領(lǐng)域都可能迎來全新的改變。

在醫(yī)療護(hù)理中，我們可以用上自動(dòng)化、個(gè)性化的轉(zhuǎn)移方案，不僅能大幅減少護(hù)理人員的職業(yè)損傷，也讓患者在過程中感受到更多的尊嚴(yán)與舒適。

物流和農(nóng)業(yè)場景里，機(jī)器人將既能像人一樣輕柔地處理易碎品和新鮮果實(shí)，又擁有遠(yuǎn)超人類的耐力與力量。

就算是在太空、深海這樣的極端環(huán)境，這種可以遠(yuǎn)程“生長”、無限柔順的“機(jī)械藤蔓”，也能成為執(zhí)行抓取、采樣等任務(wù)的理想工具。

而這種形態(tài)可變的設(shè)計(jì)思路，更會(huì)啟發(fā)越來越多的機(jī)器人專家跳出傳統(tǒng)框架，去創(chuàng)造能動(dòng)態(tài)適應(yīng)需求的下一代機(jī)器人。

目前，團(tuán)隊(duì)正在研究如何為藤蔓集成更智能的實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)，并進(jìn)一步優(yōu)化接觸力學(xué)模型，讓這套系統(tǒng)在各種應(yīng)用場景中更加可靠、自主。

當(dāng)機(jī)器人學(xué)會(huì)了在“探索的柔性”與“承載的可靠”之間自由切換，許多曾經(jīng)被視為自動(dòng)化禁區(qū)的領(lǐng)域正悄然打開大門。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady9581