讓人很難相信，一條柔軟如章魚觸手的機械臂，不僅能像大象鼻子一樣靈活彎曲，還能像電鉆一樣進行擰螺絲、裝燈泡、開關(guān)閥門等日常操作！

這是美國麻省理工學院和東北大學的研究團隊日前在機器人領(lǐng)域頂級期刊《Science Robotics》上發(fā)表的最新成果，讓看似矛盾的設想變成了現(xiàn)實。讓軟體機器人第一次擁有了連續(xù)傳遞扭矩的能力！

長期以來，軟體機器人領(lǐng)域面臨著一個根本性的悖論：要么像章魚觸手一樣柔軟安全但無法傳遞扭矩，要么像傳統(tǒng)機械臂一樣剛硬有力但存在安全隱患。這項研究首次打破了這個"非軟即硬"的二元對立，通過一種被稱為TRUNC（Torsionally Rigid Universal Coupling，扭轉(zhuǎn)剛性萬向接頭）的機械超材料，實現(xiàn)了軟體機器人連續(xù)傳遞扭矩的能力。更令人驚訝的是，這種新型軟體機械臂在扭轉(zhuǎn)方向上的剛度是彎曲方向的52倍，真正做到了"該軟的地方軟，該硬的地方硬"。

▍從自然界汲取靈感：植物莖稈的智慧

研究團隊的突破性思路來自于對自然界的觀察。在漫長的進化過程中，許多植物已經(jīng)掌握了在不同方向上展現(xiàn)不同剛度的秘密。比如，某些植物的莖稈和葉柄通過調(diào)整自身的幾何形態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度之間的巨大差異，這讓它們既能在風中優(yōu)雅搖曳，又能在需要時保持穩(wěn)固。

受此啟發(fā)，研究人員沒有從材料本身的性質(zhì)入手，而是選擇了一條更加巧妙的路徑——通過結(jié)構(gòu)設計來實現(xiàn)選擇性柔順。他們基于軸向點群對稱性理論，設計了一種特殊的機械超材料結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用了2*N對稱模式，在赤道處保持了連接兩極的結(jié)構(gòu)，使其在扭轉(zhuǎn)方向上具有剛性。

具體來說，TRUNC有兩種變體：赤道型（Equatorial）和桁架型（Truss）。赤道型在其赤道處有一圈關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)相對簡單；桁架型則在赤道兩側(cè)各有一圈關(guān)節(jié)，這種雙層結(jié)構(gòu)允許單元內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形。實驗數(shù)據(jù)顯示，赤道型TRUNC的扭轉(zhuǎn)-彎曲剛度比為11，而桁架型更是高達52。這意味著，當你試圖扭轉(zhuǎn)它時，它會表現(xiàn)得像鋼鐵一樣堅硬；而當你彎曲它時，它又會像橡膠一樣柔軟。

為了驗證這種設計的實用性，研究人員將一個桁架型TRUNC連接到電鉆上，在不同的彎曲角度下成功地將螺絲鉆入了樺木板。即使在45度的彎曲狀態(tài)下，扭矩傳遞效率仍能保持85.7%，這個數(shù)字遠超傳統(tǒng)的柔性聯(lián)軸器。更重要的是，在超過6800次的循環(huán)測試中，這些結(jié)構(gòu)在承受超過10%應變的情況下依然沒有出現(xiàn)故障，展現(xiàn)出了優(yōu)異的疲勞抗性。

▍巧妙的組合：從單個關(guān)節(jié)到復雜系統(tǒng)

單個TRUNC關(guān)節(jié)的優(yōu)異性能只是開始。研究團隊展示了如何通過串聯(lián)和嵌套的方式，將這些基本單元組合成更復雜的系統(tǒng)。當多個TRUNC串聯(lián)連接時，它們形成了一種新型的柔性傳動軸，能夠沿著彎曲的路徑傳遞旋轉(zhuǎn)運動和扭矩。與傳統(tǒng)的柔性傳動軸不同，TRUNC傳動軸還能夠伸縮——當被拉伸20%長度時，仍能保持83.6%的原始扭轉(zhuǎn)剛度。

更令人印象深刻的是嵌套設計。由于TRUNC基于球形幾何結(jié)構(gòu)，它們可以像俄羅斯套娃一樣輕松嵌套，形成同心的多層結(jié)構(gòu)。研究人員展示了一個雙層嵌套的柔性傳動軸，內(nèi)外兩層可以獨立旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了通過同一彎曲路徑傳遞多個獨立扭矩的能力。在演示中，他們通過切換內(nèi)外軸的輸入扭矩，成功地獨立控制了兩個指示表盤，證明了這種設計的實用性。

基于這些創(chuàng)新設計，研究團隊構(gòu)建了一個完整的軟體機械臂系統(tǒng)。這個機械臂采用了巧妙的雙層設計：內(nèi)層是桁架型TRUNC傳動軸，負責將基座電機的扭矩傳遞到末端執(zhí)行器；外層是赤道型TRUNC，用于引導控制機械臂運動的驅(qū)動線纜。整個系統(tǒng)使用了9個伺服電機來控制線纜長度，通過改變線纜張力來實現(xiàn)機械臂的彎曲和壓縮。

這種設計帶來了驚人的運動精度。在隨機點定位測試中，機械臂的位置重復精度標準差為2.1毫米和0.1度；而在軌跡跟蹤測試中，精度進一步提升到0.4毫米和0.1度。這個毫米級的軌跡精度已經(jīng)超越了當前最先進的多級軟體機械臂，展現(xiàn)出了軟體機器人在精密操作方面的巨大潛力。

▍理論突破到實際應用：三個令人驚嘆的演示

為了展示這種新型軟體機械臂的實用價值，研究團隊設計了三個具有代表性的任務演示，每一個都展現(xiàn)了傳統(tǒng)軟體機器人難以完成的能力。

第一個任務是安裝燈泡。機械臂使用商用的萬能燈泡更換器作為末端執(zhí)行器，首先將燈泡定位到燈座上方，然后降低高度將其插入。這個看似簡單的任務實際上包含了多個技術(shù)難點：需要精確的位置控制、適當?shù)牟迦肓Γ约白铌P(guān)鍵的——連續(xù)旋轉(zhuǎn)能力。機械臂的柔順性使其能夠被動對齊，補償輕微的位置偏差，成功完成了2.5圈的旋轉(zhuǎn)，點亮了燈泡。

第二個演示更具挑戰(zhàn)性——與人類協(xié)作安裝主板。在這個場景中，人類工作者首先將主板放置在支架上并預緊螺栓，然后機械臂接手完成最終的緊固工作。每個螺栓需要旋轉(zhuǎn)7.75圈才能完全緊固。在機械臂工作的同時，人類可以在旁邊安裝內(nèi)存條，展現(xiàn)了軟體機器人在人機協(xié)作場景中的安全性優(yōu)勢。這種并行工作模式大大提高了整體效率，同時避免了傳統(tǒng)剛性機器人可能帶來的安全隱患。

第三個演示模擬了一個更加復雜的工業(yè)場景——在狹窄空間中操作閥門。機械臂需要在兩根管道之間伸入，找到并旋轉(zhuǎn)一個截止閥。使用3D打印的扳手作為末端執(zhí)行器，機械臂成功地完成了3.5圈的順時針旋轉(zhuǎn)，關(guān)閉了閥門。這個任務不僅需要在受限空間中的靈活運動，還需要在操作過程中適應扳手與閥門中心的對準偏差，充分展現(xiàn)了軟體機械臂的環(huán)境適應能力。

為了實現(xiàn)這些復雜的操作，研究團隊還開發(fā)了一個基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的逆運動學模型。他們收集了18,300組機械臂配置和末端執(zhí)行器姿態(tài)的數(shù)據(jù)對，訓練了一個三層全連接神經(jīng)網(wǎng)絡。訓練后的模型能夠在0.368毫秒內(nèi)生成單個路徑點，使得實時軌跡規(guī)劃成為可能。

▍軟硬之間的橋梁：開啟機器人技術(shù)新篇章

這項研究的意義遠不止于技術(shù)突破本身。長期以來，機器人領(lǐng)域一直在"剛性"和"柔性"之間做著艱難的選擇：要么選擇強大但危險的剛性機器人，要么選擇安全但能力有限的軟體機器人。TRUNC技術(shù)的出現(xiàn)，第一次真正意義上架起了連接兩者的橋梁。

從應用前景來看，這種新型軟體機械臂在多個領(lǐng)域都有著巨大的潛力。在倉儲自動化中，它可以安全地與人類工人并肩作業(yè)，完成需要旋轉(zhuǎn)操作的裝配任務；在極端環(huán)境中，如核電站維護或深海作業(yè)，它的柔順性和扭矩傳遞能力使其成為理想的遠程操作工具；在醫(yī)療領(lǐng)域，這種技術(shù)可能催生出新一代的手術(shù)機器人，既能提供必要的操作力，又能確保與人體組織的安全交互。

更深層次地看，這項研究展示了機械超材料在機器人設計中的巨大潛力。通過在結(jié)構(gòu)層面而非材料層面實現(xiàn)特定的機械性能，我們可以創(chuàng)造出具有看似矛盾特性的新型機器人系統(tǒng)。這種設計思路不僅適用于軟體機器人，也可能為整個機器人領(lǐng)域帶來新的設計范式。

當然，這項技術(shù)仍有改進空間。目前的系統(tǒng)相對復雜，需要多個電機協(xié)同控制；制造成本也相對較高，限制了大規(guī)模應用。但正如所有突破性技術(shù)一樣，隨著研究的深入和工程優(yōu)化，這些問題都將逐步得到解決。

回想起來，誰能想到，解決軟體機器人扭矩傳遞難題的靈感，竟然來自于植物莖稈在風中的搖曳？這再次證明，大自然永遠是工程師最好的老師。或許在不遠的將來，當你看到一個軟體機器人助手正在幫你擰緊松動的螺絲時，別忘了感謝那些在風中搖曳的植物——它們不僅美化了我們的世界，還啟發(fā)我們創(chuàng)造了更美好的未來。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.ads0548