秒級切換剛柔態！北大謝廣明教授團隊研發仿生章魚抓取器

如果讓你設計一臺水下機器人，你會給它裝上螺旋槳，還是機械爪？

在自然界，有一種生物早就給出了滿分答案——章魚。它能輕松抓起比自身重幾十倍的獵物，又能溫柔地撫摸自己的卵。這種剛柔并濟的神技，源自它的八條腕足，平時柔軟如綢，一觸即卷；需要發力時，又能瞬間繃緊成鋼筋。

受此啟發，北京大學先進制造與機器人學院謝廣明教授團隊設計出快速剛度調節水下抓取器，不僅實現了1.3秒軟化、0.8秒硬化的變態級響應速度，還搭載在一款仿生機器人上，完成了“靜音抓取-上浮運輸”的全套水下作業。研究成果于昨日發表在Science 合作期刊《Cyborg and Bionic Systems》上。

要知道，此前基于形狀記憶聚合物（SMP）的軟體機器人，最大的痛點就是“慢熱”。加熱軟化要幾十秒，冷卻硬化更要命，動輒半分鐘以上。而這次，團隊直接把切換時間壓縮到了亞秒級，速度提升了30倍以上。

01.

把海水變成散熱器：一個三層結構的熱力學魔術

傳統SMP驅動器為什么慢？問題出在散熱上。

想象你在冬天用熱水袋暖手，放一會兒就涼了，得重新加熱。SMP材料也是一樣，要變軟，得加熱到玻璃化轉變溫度（約66℃）以上；要變硬，得冷卻下來。在空氣中，自然冷卻慢得像蝸牛。

于是研究團隊在想，既然在水里作業，為什么不把海水變成主動散熱器？

他們設計了一個精妙的三層熱界面結構。內層硅膠負責把鎳鉻加熱絲的“線熱源”均勻擴散成“面熱源”，防止PLA局部燒焦；外層硅膠在加熱階段充當保溫層，把熱量鎖在內部實現快速升溫；一旦斷電，21℃的海水立刻化身高效散熱器，利用水的高對流換熱系數，把熱量瞬間帶走。

配備形狀記憶聚合物 (SMP) 的機械臂的結構和水下性能

這套“脈沖加熱-環境冷卻”的策略，讓軟化僅需1.3秒，硬化更是只要0.8秒，比眨眼還快。更絕的是，硬化后的形狀零能耗保持。

不像傳統氣動抓手需要持續抽真空維持抓取力，這個抓取器一旦鎖定，就像凍住的章魚腕足，不需要任何能量輸入就能穩穩托住重物。論文里管這叫“零能耗形狀鎖定”，對于需要長時間水下作業的機器人來說，簡直是續航神器。

02.

六臂章魚俠：從軟綿綿到力大無窮的變形秀

這個抓取器長什么樣？它有一個中央連接器，伸出六條仿生機械臂，每條臂上嵌著三個吸盤，內部藏著SMP可變剛度系統。

可變剛度抓取器：結構、設計驗證和性能評估

六條臂的設計不是隨便定的。通過對稱布局，它可以實現模式II（雙臂）、模式IV（四臂）、模式VI（六臂）三種抓取形態，每個機械臂上3個吸盤排列，可最大化有效吸附面積，并在不規則表面上提供粘附冗余。吸盤可以通過負壓產生吸力，增強抓取物體時的穩定性。在正壓驅動下，吸盤可以主動與物體分離。

機械臂在不同狀態下性能不一。在100 kPa驅動壓力下，軟化狀態的臂能彎曲161°，像真正的章魚腕足一樣貼合物體表面；硬化后，剛度瞬間提升25倍，尖端最大輸出力達到1.56 N（約160克）。六臂協同模式下，整體抓取力超過4 N，相當于能穩穩抓起400克以上的物體。

對比測試更是驚人。沒有SMP的軟臂，抓起20克物體就晃晃悠悠；硬化后的SMP臂，同樣的20克負載，末端形變微乎其微。

這種”先軟后硬“的操作策略，通過先軟著貼上去，再硬著舉起來，完美解決了軟體機器人適應性強但負載弱的經典難題。

03.

實戰演練：2米深水池里的“海洋清潔工”

光在實驗室里秀肌肉不算本事，團隊直接把抓取器裝到了章魚啟發式向上運輸機器人OUT-Robot上。它的外殼是硅膠軟殼+剛性骨架的復合結構，內部有水泵和電磁閥控制系統。六條機械臂既是抓手也是腿。

具有可變剛度夾爪的 OUT-Robot 的設計

研究團隊在在2米深的實驗室水池里搞了一場水下大掃除。場景設置得相當刁鉆，底部壓著板材，上面堆著扇貝、海參、鋁型材、塑料瓶，最外層罩著廢棄漁網，還用石頭壓住。這要是派潛水員下去，得折騰半天。

OUT-Robot的操作行云流水。

首先，機械臂切換到模式 VI，I六臂齊出掀開漁網（約0.9克）；隨后，切模式IV，四臂抓起塑料瓶轉移；接著再切回模式VI，采集海參和扇貝；之后切換到吸盤模式，無損抓取易碎板材；隨后，六臂模式搬運鋁型材；最后，四臂+吸盤雙模式，搞定表面光滑的約500克重啤酒瓶。

機械臂在復雜水下環境中集成多模態抓取和快速剛度變化的能力

全程無需上浮換氣，抓取器在軟硬狀態間無縫切換，吸盤的負壓吸附和臂的包裹抓取協同作戰。

論文特別強調，這套系統能處理的物體跨度極大。從不到1克的輕小碎片，到超過500克的重型固體廢物，動態范圍遠超傳統水下抓手。

04.

靜音送貨：浮力驅動的“拾取-漂浮”革命

如果說快速剛度調節是“手”的進化，那OUT-Robot的運輸模式就是“腳”的顛覆。

傳統水下機器人靠螺旋槳或噴水推進，噪音大、能耗高，還會攪起泥沙嚇跑海洋生物。OUT-Robot反其道而行，用浮力驅動+機械臂爬行的雙模態移動。

第一招：飄著走，零噪音上浮

抓取物體后，向軟殼內注入空氣增加浮力，機器人就像潛水艇一樣被動上浮，完全不需要推進器。實測5秒上浮40厘米，悄無聲息。

第二招：爬著走，六臂當腿

光靠漂不夠，海底得能爬。OUT-Robot的六條臂還能當腿用。任意5條臂同時彎曲到最大角度時釋放壓力，機器人就會朝唯一沒彎曲的那條臂所指方向移動。由于六條臂分布在不同方向，通過控制不同臂的彎曲組合，就能實現水下全方位爬行。實測沿固定方向55秒爬行70厘米。

連續作業：3次循環，零能耗上升

真正考驗實力的是連續向上運輸測試：減壓下沉→游到目標上方→抓取→充氣上浮→重復3次，全程無需人類干預。

更妙的是，抓取和推進系統物理隔離。當六臂鎖定物體后，電磁閥會把機械臂與液壓回路切斷，水泵全力負責浮力調節，互不干擾。這種“脈沖驅動，零保持”的策略，讓整個作業循環的能耗極低：軟化階段約75焦耳，峰值功率57.6瓦，持續1.3秒，浮力激活僅約10焦耳，上升過程則完全零能耗。

相比連續驅動的傳統方案，這種“干活時耗電，飄著時省電”的模式，為生態敏感的海洋修復任務提供了可持續解決方案。

05.

從實驗室到深海：還有多遠？

當然，這還是個實驗室原型。論文坦誠指出了局限：空氣浮力系統的可壓縮性限制了作業深度，目前只能在0-50米的近岸淺水區使用。

不過團隊表示，這種特定的應用場景反而讓它成為重型深海ROV的靜音搭檔。也就是說，在生態敏感的淺水區執行精細作業，深海大機器干不了的活，交給這個章魚小弟。

未來的升級方向也很清晰。集成水下計算機視覺，讓機器人自己識別物體并選擇抓取模式；在吸盤里加入觸覺傳感器，在渾濁水域驗證吸附質量；甚至集群部署，多個OUT-Robot協同完成分布式清理任務。

想象一下，未來的近海養殖區，一群“電子章魚”悄無聲息地游弋，撿起海底垃圾，托起受傷的海龜，修復被漁網纏住的珊瑚，沒有噪音，沒有污染。這個水下機器人，或許將成為守護海洋的新工具。

論文鏈接：https://spj.science.org/doi/full/10.34133/cbsystems.0528