在园艺世界中，一些藤蔓植物以其强大的抓握能力而闻名。随着生长，这些木质卷须能够以足够的力量缠绕障碍物，甚至能拉倒整个栅栏和树木。受这种藤蔓顽强生命力的启发，麻省理工学院(MIT)和斯坦福大学的工程师们开发出一种机器人抓手，能够像藤蔓一样蜿蜒并举起各种物体，包括玻璃花瓶和西瓜，相比传统抓手设计提供了一种更为温和的抓取方式。这种机器藤蔓的更大版本还能安全地将人从床上抬起。
创新设计理念
新型机器人由一个充气箱组成，放置在目标物体附近，从中伸出长长的藤蔓状管子充气生长，类似于袜子被翻出来。随着管子的延伸，藤蔓会扭曲并缠绕在物体上，然后继续向充气箱方向回缩，在那里被自动夹紧并通过机械装置卷回，以柔软的吊索式抓取方式轻轻举起物体。
研究人员演示表明，藤蔓机器人可以安全稳定地举起各种重物和易碎物品。该机器人还能挤过狭窄空间，穿过杂物堆，到达并抓取所需物体。
开环与闭环的完美结合
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启发式机器人的开发。这些设计主要由薄而坚固的气动管构成，通过控制气压充气生长。生长过程中，这些管子可以扭曲、弯曲，在环境中蜿蜒前进，并能挤过狭窄和杂乱的空间。
研究人员主要探索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（他们的团队已开发出老年人辅助机器人）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，这种转移过程通常使用病人升降机完成，护理人员必须首先将病人物理移动到侧卧位置，然后再回到吊床式床上。护理人员将床单系在病人身上，并将其钩在机械升降机上，然后可以轻轻将病人抬离床铺，类似于悬挂吊床或吊索。
MIT和斯坦福团队设想，作为替代方案，藤蔓状机器人可以轻轻地在病人下方和周围蜿蜒，形成自己的吊索，而无需护理人员物理移动病人。但为了抬起吊索，研究人员意识到他们需要在现有藤蔓机器人设计中添加一个缺失的元素：本质上，他们必须闭合回路。
大多数藤蔓启发的机器人设计为"开环"系统，意味着它们作为开放端的绳索可以延伸并弯曲成不同配置，但它们并非设计成能将自己固定在任何东西上形成闭环。如果藤蔓机器人能够从开环转变为闭环，Barhydt推测它可以围绕物体形成吊索，然后连同可能持有的物体一起将自己拉起。
"人们可能会认为，为了抓取某物，只需伸手抓住它即可，"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。"
温和的悬吊系统
作为新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。该系统由安装在架空杆两端的充气箱组成。箱内的气泵缓慢充气并展开细长的藤蔓状管子，使其向下延伸到床头和床尾。可以控制气压，让管子轻轻地在人下方和周围工作，然后向上延伸回各自的箱子。藤蔓随后穿过夹紧机构，将藤蔓固定在每个箱子上。绞车将藤蔓卷回箱子，在此过程中轻轻抬起人。
"但沉重的易碎物体，如人体，用当今可用的机械手很难抓取，"Asada说。"我们已经开发出一种藤蔓状的生长机器人抓手，可以围绕物体缠绕并温和而安全地将其悬挂起来。"
多元化应用前景
虽然该团队的设计初衷是为了解决老年护理中的挑战，但研究人员意识到这种新设计也可以适应其他抓取任务。除了他们的大型系统外，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举起各种重物和易碎物品，包括西瓜、玻璃花瓶、壶铃、金属棒堆和游乐球。藤蔓还能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。"
这项研究部分得到了美国国家科学基金会和福特基金会的支持。
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机制。传统机器人抓手通常采用刚性夹持或吸盘方式，对于不规则形状或易碎物体往往力不从心。而藤蔓机器人通过模拟植物生长原理，能够自适应地包裹物体表面，形成均匀分布的支撑力，从而避免局部压力过大导致的物体损坏。
从技术角度看，这种机器人结合了开环和闭环两种工作模式：开环模式下，藤蔓可以自由延伸和探索环境；闭环模式下，则形成稳定的抓取结构。这种双模态设计大大扩展了机器人的适应能力，使其能够在复杂环境中执行多样化任务。
在老年护理领域，藤蔓机器人有望显著减轻护理人员的体力负担。据统计，将病人从床上转移是护理人员执行的最繁重的体力任务之一，不仅容易导致护理人员肌肉骨骼损伤，也给病人带来不适和风险。藤蔓机器人的柔性设计能够提供更舒适的支撑和转移体验，同时提高操作效率。
在工业应用方面，藤蔓机器人可以适应各种不规则形状的货物，特别是传统机械难以处理的易碎或重型物品。在仓储物流中，这种机器人可以自动完成货物的装卸、分类和堆叠，大幅提高工作效率并降低人力成本。
随着技术的进一步发展，研究人员正在探索将藤蔓机器人与其他人工智能技术相结合，使其具备更强的环境感知和自主决策能力。未来的藤蔓机器人可能配备多种传感器，能够实时监测抓取物体的状态和周围环境，实现更智能、更安全的操作。
行业影响与挑战
藤蔓机器人的出现为机器人行业带来了新的思路和可能性。传统机器人设计往往过于强调刚性和精确控制，而忽略了与人类和环境的柔性交互。藤蔓机器人的成功案例表明，柔性机器人技术在特定应用场景中具有独特优势，特别是在需要与人类密切交互或处理易碎物品的场景中。
然而，这项技术也面临一些挑战。首先是控制系统的复杂性，藤蔓机器人的生长和抓取过程需要精确的气压控制和路径规划算法。其次是耐用性问题，频繁的充放气过程可能导致材料疲劳和寿命缩短。此外，大规模生产成本也是推广应用的障碍之一。
尽管如此，随着材料科学和控制技术的进步，这些问题有望逐步得到解决。藤蔓机器人所代表的柔性机器人技术，可能会在未来十年内迎来爆发式增长，为多个行业带来革命性的变化。
结语
藤蔓机器人的创新设计展示了生物启发的机器人技术巨大潜力。通过模拟自然界的生长和抓取机制，研究人员成功开发出一种能够安全、灵活地处理各种物体的新型机器人抓手。这项技术不仅在老年护理等特定领域具有直接应用价值，更为机器人技术的未来发展开辟了新的方向。
随着研究的深入和技术的成熟，藤蔓机器人有望在医疗、物流、制造等多个领域发挥重要作用，为人类生活带来便利和福祉。这种融合自然智慧与工程创新的设计理念，也将持续启发下一代机器人技术的突破与发展。
