在植物世界中，某些藤蔓以其强大的抓握能力著称。随着生长，这些木质卷须能够以足够的力量缠绕障碍物，甚至能拉倒整围栏和树木。受这种螺旋式坚韧特性的启发，麻省理工学院和斯坦福大学的工程师们开发出一种机器人抓取器，能够像蛇一样缠绕并提升各种物体，包括玻璃花瓶和西瓜，相比传统抓取器设计提供了一种更为温和的方法。
创新设计原理
这种新型机器人由一个加压盒组成，放置在目标物体附近，从中伸出长条状的藤蔓状管子充气生长，类似于袜子从内向外翻转。随着管子延伸，藤蔓会扭曲并盘绕在物体周围，然后继续返回到盒子，在那里被自动夹住并机械卷回，以柔软的吊索方式轻柔地提升物体。
研究人员已经证明，藤蔓机器人可以安全稳定地提升各种重物和脆弱物品。该机器人还能挤过狭小空间，穿过杂物到达并抓取所需物体。
从开环到闭环的设计突破
该团队的斯坦福合作者在Okamura的带领下，开创了从尖端向外生长的软体藤蔓式机器人设计。这些设计主要由薄而坚固的气动管制成，通过受控气压充气生长。随着生长，这些管子可以扭曲、弯曲并蜿蜒穿过环境，能够挤过狭小和杂乱的空间。
研究人员大多探索了藤蔓机器人在安全检查和搜救行动中的应用。但在MIT，Barhydt和Asada（其团队已开发用于老年人的辅助机器人）想知道这种藤蔓启发的机器人是否能解决老年人护理中的某些挑战——特别是安全地将人从床上抬起的挑战。
在护理和康复环境中，这种转移过程通常由护理人员使用病人升降机完成，首先必须将病人身体侧移，然后再移到类似吊床的床单上。护理人员将床单固定在病人身上并挂到机械升降机上，然后可以像悬挂吊床或吊索一样轻柔地将病人抬离床铺。
MIT和斯坦福团队想象，作为一种替代方案，藤蔓式机器人可以轻柔地潜入并环绕病人，形成自己的吊索，而无需护理人员手动移动病人。但为了提升这种吊索，研究人员意识到他们必须添加现有藤蔓机器人设计中缺少的元素：基本上，他们必须闭合回路。
大多数藤蔓启发的机器人被设计为"开环"系统，意味着它们作为开放式绳索可以延伸并弯曲成不同配置，但并非设计用来固定自身以形成闭环。如果藤蔓机器人可以从开环转变为闭环，Barhydt推测它可以围绕物体形成吊索并拉起自己，以及它可能持有的任何物体或人。
双模式抓取系统
在他们的新研究中，Barhydt、Osele及其同事概述了一种新型藤蔓启发的机器人抓取器设计，结合了开环和闭环动作。在开环配置中，机器人藤蔓可以生长并扭曲在物体周围形成牢固抓握。它甚至可以钻到床上的人身下。一旦形成抓握，藤蔓可以继续生长回到源头并附着，创建一个可以收缩以检索物体的闭环。
"人们可能认为，要抓取某物，只需伸手抓住它，"Barhydt说。"但存在不同阶段，如定位和保持。通过在开环和闭环之间转换，我们可以通过利用两种形式各自的优势来实现新的性能水平。"
老年人护理应用
作为其新的开环和闭环概念的演示，团队构建了一个大型机器人系统，旨在安全地将人从床上抬起。该系统包括安装在两端悬臂上的加压盒。盒子内的气泵缓慢充气并展开细长的藤蔓状管子，向下延伸到床的头部和脚部。气压可以控制以使管子轻柔地工作并环绕在人体周围，然后向上拉伸回到各自的盒子。藤蔓然后穿过夹紧机构，将藤蔓固定在每个盒子上。绞盘将藤卷回盒子，在此过程中轻柔地将人抬起。
"今天可用的机器人手难以抓取重物但脆弱的物体，如人体，"Asada说。"我们开发了一种藤蔓式生长机器人抓取器，可以缠绕物体并轻柔安全地悬挂它。"
"我们希望这项工作能激励我们的同事继续探索整个设计空间，"共同第一作者Osele说。"我特别期待对医疗保健中病人转移应用的影响。"
"我非常兴奋于未来使用这类机器人帮助行动不便的人，"共同作者Okamura补充道。"软体机器人相对安全、低成本，并能针对特定人类需求进行优化设计，与其他方法如人形机器人形成对比。"
多领域应用潜力
虽然该团队的设计受到老年人护理挑战的启发，但研究人员意识到新设计也可以适应其他抓取任务。除了大型系统外，他们还构建了一个可以连接到商用机械臂的较小版本。使用这个版本，团队已经证明藤蔓机器人可以抓取和提升各种重物和脆弱物品，包括西瓜、玻璃花瓶、壶铃、金属棒堆和游乐球。藤蔓还可以穿过杂乱的箱子拉出所需物体。
"我们认为这种机器人设计可以适应许多应用，"Barhydt说。"我们也在考虑将其应用于重工业，以及自动化港口和仓库的起重机操作。"
这项研究得到了美国国家科学基金会和福特基金会的部分支持。
技术优势与未来展望
藤蔓机器人技术的核心优势在于其独特的柔性抓取能力。与传统刚性机械手不同，藤蔓机器人能够根据物体形状自适应调整抓握方式，避免对脆弱物品造成损害。这种特性使其在医疗护理、文物修复、精密制造等领域具有巨大潜力。
此外，藤蔓机器人的模块化设计使其能够根据不同应用场景进行定制。小型版本可用于精密电子装配，而大型版本则可以用于建筑材料的搬运。这种灵活性大大扩展了技术的应用范围。
未来研究方向包括进一步优化藤蔓材料的耐用性和响应速度，开发更精确的控制系统，以及探索与人工智能的结合，使机器人能够自主识别和抓取不同形状的物体。随着技术的不断完善，藤蔓机器人有望在更多领域实现商业化应用，为人类生活和工作带来革命性变化。
