2025年5月18日，墨子沙龍邀請中國科學技術大學計算機科學教授Nikolaos M. Freris來到中國科學技術大學上海研究院做主題演講，分享仿生軟體機器人如何進行螺旋結構的復現。本文根據該直播內容整理而成。

感謝邀請，今天我很榮幸為大家做講座，我將為大家介紹我們受自然生物啟發而研制出的機器人。

首先我們討論一下研究背景，這與如何處理、操控不同物體相關，物品的尺寸、形狀、重量、材料等都不盡相同，我們可以看到這里陳列了諸多不同的物品。我們可以做出很多動作：抓取，移動，投擲、接住……我們制造出很多機器人，但它們無法全部做出這些動作，工程師創造出各種設計方案，但這些都是剛性機器人，用鋼鐵材料制成，因此也帶來許多挑戰，涉及安全性、速度、多功能性、耐用性等等。

由此激發了軟體機器人的出現。軟體機器人由軟材料制成，例如硅膠、橡膠等。為什么需要軟體機器人呢？因為不同于大型剛性機器人，軟體機器人與人交互時的安全性更高，而且還能處理各種物品，如視頻所示，拿起雞蛋。但問題是這樣的軟體機器人設計簡單，通常動作非常緩慢，也無法完成非常復雜的動作。

現在我想展示一下我們團隊對軟體機器人的設計和制備，靈感來源于自然生物。我們看到圖片展示有大象、章魚、變色龍和海馬，這些都是完全不同的動物，生活在不同自然環境中，生理結構也各不相同。更重要的是，尺寸天差地別，龐大如大象，微小如海馬。但我們觀察到一個共同點：它們肢體的形態呈對數螺旋線。接下來就要回答兩個非常重要的問題：我們如何在工程上復現出來？復現后又有什么優勢？

以對數螺旋線為設計原理，就好在我們可以從頭利用開始設計。思路是這樣的：基于將對數螺旋線離散化，我們就能設計出各種軟體機器人，如用單根繩索制備軟體機器人。

所以，我們利用3D打印技術制備出機器人，優點很多：快速、簡易、耐用，成本低廉。而且還有另一大優勢，除了制備大型軟體機器人之外，還可以將機器人拆分成一個個小部分。至于機器人的控制部分，也很簡單，只需要添加一個電機，就能控制繩索，機器人會像章魚一樣動起來。

這就是我們使用單根繩索制備出的軟體機器人，拉一下繩索就卷曲起來了。而這是我們使用兩、三根繩索制備出的機器人，設計思路與單根繩索一樣，但兩根繩索呈中心軸鏡像對稱，而三根繩索則繞中心軸旋轉。還能進行切割，如現場展品所示，能夠牢牢抓取，同時減輕機器人本身的重量。

接下來我快速講解一下幾個特性。我們展開了大量數學分析，重點是我們的設計產生了非常美妙的特性：機器人展開后最終呈錐形，這樣3D打印能更快速、更好地保留住機器人的重要結構特性。

第二個特性偏技術性，即曲率和長度線性的關系。我們可以看到，這種軟體機器人的尖端要比底部更靈活，更柔性，就如同章魚觸須一樣，能快速移動，迅速抓取食物。

第三個是空間特性分析，即機器人能夠接觸到的空間范圍。隨后是機器人能抓取多少物品，負載重量幾何。我們的軟體機器人能夠抓取非常輕巧的物品，例如電線，也能抓取和自身長度（約11厘米）等長的物品，例如雞蛋。不僅如此，機器人本身重量很輕，像這個只有39克，但它很強壯，能拎起10千克中的啞鈴，抓取最大負載可達自重的260倍。這樣的設計相當獨特，在自然界中也相當罕見，很少有動物能夠做到。

總而言之，經過大量分析和匯總，軟體機器人的制備主要取決于3個參數。基于此，我們制備出100多臺原型樣機，現場就有幾臺。

接下來，我會詳細講述軟體機器人的抓取策略，之后也會做現場展示，主要涉及如何抓取物品。我們采用的是仿生策略，受章魚手臂運動啟發。我們能看到它們如何運動的：向前伸展，觸碰物品，卷曲手臂包裹物品，最終抓取到食物。

基于此，我們可以通過控制繩索拉力來實現同樣的抓取策略。這里的圖片逐一展示了整個過程。我們只需拉動繩索，就完美復制了章魚手臂運動的整個過程。

這兩個視頻展示了其可行性，左邊我們能看到它如何抓取易碎的雞蛋，而右邊則看到機器人抽取出一張紙巾，要完成這個動作其實挑戰相當大。這兩個動作完成的速度非常快，動作也及其靈活。

我們還證明了模仿章魚手臂的策略對于適應各種方位也很重要。所以，下一個現實問題是如何實現自動控制？在看視頻之前，我們引入了一個非常簡單的設計思路：機器人碰到物體的時候，通過電流監測產生觸感。我們的視頻展示了機器人碰到即便輕如羽毛的物品，它立刻就知道自己觸碰到什么物品了，靈敏度極高，僅憑電流監測就能做到，沒有攝像頭，也沒有什么復雜設計，思路很簡單。

基于上述所有思路，我們采用非常簡答的策略便能實現接觸檢測。基于物體方位，通過控制繩索驅動力，也就說，我們唯一要知道的就是物品在哪里。然后，我們就能自動檢測接觸，接觸到后就包裹、抓取。就這么簡單。

我們用不同大小、處于不同位置的物品展開實驗，效果尤為顯著。

接下來，我會展示幾個不同的實例，物品的尺寸、形狀、重量都不一樣，有圓珠筆、草莓、玩具骰子，還有菠蘿。一般情況下，機器人只能處理特定物品，而不是各種物品。但這里我們看到，軟體機器人采用完全一樣的策略，不需要特別復雜的操作控制，就能抓取到所有上述物品。這便是我們方法的通用性：同一臺機器人能處理不同物品。

這兩段視頻則展示了機器人能越過障礙物，在受限空間內抓取或者放下物品。能實現這一能力的原理則基于幾何學，機器人本身的設計和所使用的制備材料自然能讓它們靈活導航、彎曲變形，無需更多外部力控制。

接下來我們看到真實速度下運動的機器人，它們速度很快，動起來就和章魚手臂一樣。右邊的視頻則展示機器人拋擲物品，就像大象用象鼻投擲物品一樣。

這個視頻展示了機器人鞭打小球的過程，而右邊視頻則能夠抓取更加復雜的物品。

下一個特性是我們非常引以為豪，也是獨一無二的優勢：拓展性。我們可以制備出長達幾米的機器人，也可以制備出幾毫米的機器人。圖上我們看到機器人可以小到什么程度，請注意這是只螞蟻。而抓取螞蟻的操作與其他操作毫無二致。請看一下展示視頻，機器人尖端只有2毫米，但能抓起一只螞蟻。尺寸及其微小，但抓取思路完全一樣。

這是機器人與無人機結合的應用場景，可以跟著無人機一起飛上去，同時還能抓起水桶。

這是我們之后會展示的設計方案，我們把幾條機械手臂組合起來，只通過兩個電機控制，然后就像章魚一樣能抓取物品，如視頻所示。下面會展示更多應用場景。我們會看到完全不同的物品，而且有些物品從幾何學角度來說抓取難度極大，其他類型的機器人幾乎抓不起來。接下來，在看其他展示之前，我們還能看到這里有帽子等，都是同一臺機器人，抓取不同物品。

現在總結一下，我們的設計具有可拓展性，也就是說，既能制備非常非常小的機器人，也能制備非常非常大的機器人。然后我們還要理解其中非常重要的參數：靈活性、操作空間，重量和尺寸，我們都做過實踐分析，不僅僅是理論溫習。應用范圍可以從無人機，到生物醫學，到娛樂，還有太空探索。

在觀看視頻之前，我現場展示一下機器人的控制原理，通過拉扯繩索，機器人可以以極快的速度運動。重點是，如果你拉扯的速度非常快，機器人就會蜷縮成我們展示過的螺旋形。我們還能拉扯三條繩索，做出更加復雜的運動，看著好像活的一樣。但實際控制異常簡單，只要拉扯繩索就行了，就像操縱木偶一樣。

一切從螺旋形開始，制備出的機器人一下子看上去就像章魚手臂一樣。我們能看到運動的真實速度有多快，這就是原速，動作非常快。

這是章魚抓取的動作，和我們的機器人所采取的抓取策略如出一轍。

抓取雞蛋，雞蛋其實很脆弱，不小心就會捏碎。抓取草莓，抽取紙巾，都沒怎么碰到，非常快，難度很高；觸碰靈敏性，對于接觸非常敏感；同一機器人抓取不同物品，抓取策略都是一樣的；穿過受限空間，越過障礙物、門，放下物品；在沒有過多控制的情況下接住拋過來的網球，自動抓取網球。抓取之后，再拋擲物品，能控制拋擲速度和方向。

這是我們非常自豪的成品，極其微小的機器人，微型化機器人。然后從微型機器人拓展至大型機器人，以非常復雜的三維方式螺旋抓起物品。

鞭打球，全自動，非常簡單的動作。然后是鞭打處于不同位置的球。過鞭抽抓取物品，這是慢速播放，能看清具體過程，實際上原速非常快。

戶外無人機應用，非常快，一下子就拎起來飛走了。應用相當廣泛。

接下來是很酷的機器人陣列，就和章魚一摸一樣，同時使用所有機器手臂，自動抓取，提起，放下，各種各樣的物品，注意看最后兩個，機器人是怎么抓起來的。

最后我想感謝我們的研究得到了廣泛的關注，很多國內外媒體都有報道，成果很受歡迎，我們很開心。我要特別感謝魏熹教授，沒有她就沒有我們的成果。