自然纠缠启发的纤毛状软体抓取器：实现快速自适应抓取的新策略

本文综述了一种受自然界生物（如动植物）主动纠缠行为启发的创新型软体抓取器设计。该设计利用多根中空硅胶管的自发缠绕形成包络，实现快速（<1?s）、自适应、低成本的物体抓取，无需复杂传感或力反馈系统（开环控制）。其核心在于通过线驱动（Wire-driven）机制引发软管压缩与纠缠，形成机械互锁（Mechanical Interlocking），适用于不规则形状物体，成功率达100%，成本不足1美元，在极端环境（如水下、无人机集成）中展现巨大应用潜力。

　　

2.1 主动纠缠机制设计

自然界的主动纠缠行为（如章鱼触手缠绕或藤蔓盘绕）为软体抓取器提供了创新灵感。本研究设计了一种基于线驱动的纤毛状软体抓取单元，每个单元由一根中空弹性硅胶管（外径2?mm，内径0.8?mm）和内部固定的驱动线（如尼龙线）组成。固定硅胶管前端并牵引驱动线时，软管发生压缩和弯曲，形成主动缠绕和纠缠。这种变形依赖于硅胶管的弹性特性，而非外部传感或反馈控制，实现了实时响应（快于温度或气动驱动方案）。单个单元虽抓取力有限，但多单元组合（如8或12根）通过冗余结构形成充分的机械互锁，显著提升抓取适应性和鲁棒性。有限元分析表明，纠缠过程中软管近基底端刚性较高，末端较软，力分布不均但利于形成稳定包络。

2.2 多纠缠单元测试结果

抓取性能受单元分布、牵引距离和接触位置影响。实验采用三种典型分布模式（均匀、集中、分散），通过测量最大抓取力（以刚性塑料网为对象）评估效果。结果表明：

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  牵引距离增加（0.5–3.0?cm）可增强纠缠强度，提升抓取力。
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  靠近基底的抓取位置（3–9?cm）因结构刚性更高，更适合重物抓取。
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  均匀分布（Distribution 1）的单元布局能形成更多机械互锁，抓取力最大。
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  单元数量增加（如8单元→12单元）和长度延长（10?cm→12?cm）均能提高抓取力，但过长单元（>15?mm）需更大驱动力，可能导致纠缠失败。
  多单元设计通过统计概率补偿个体变异性，避免了对精确控制的依赖，但需注意单元间可能的结构干扰。

2.3 多种物体的自适应抓取结果

该抓取器无需物体先验信息或力反馈系统，仅通过位置控制即可实现高效抓取。实验显示：

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  对日常不规则形状物体（如刷子、蔬菜、水果）抓取成功率近100%。
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  对规则物体（球体、立方体、玻璃管），抓取成功率随尺寸增大而下降（因包络能力受限），但仍在80%以上。
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  软管弹性确保无损抓取脆弱物体（如虾、葡萄），且释放过程通过驱动线回缩实现快速复位。
  抓取器总质量231.2?g，易于集成到机械臂（如ABB IRB 14000）或移动平台，通过手动粗略定位即可触发抓取，简化了传统抓取任务的需求。

2.4 水下与无人机抓取结果

在极端环境中，该设计展现出优异适应性：

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  水下抓取：成功抓取活虾和葡萄（成功率>80%），软管纠缠的随机性通过冗余结构补偿，部分互锁即可实现可靠抓取，且流体环境不影响性能。
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  无人机集成：抓取器搭载于无人机（UAV）进行野外果实（如桑葚、Hypericum berry）采集，在风力扰动下仍保持80%以上成功率，证明了其轻量化、低成本和抗干扰能力。
  这些应用凸显了其在农业、海洋探测等领域的潜力。

3 讨论

本研究的核心创新在于通过线驱动机制实现快速主动纠缠，克服了传统气动或温度响应驱动（如形状记忆合金）的复杂封装、慢响应和高成本问题。优势包括：

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  低成本（单元成本<1美元）和易制造（无需复杂加工）。
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  实时响应（电机主导，快于热传递或气泵系统）。
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  适应性强（尤其擅长复杂拓扑结构物体）。
  然而，也存在局限性：
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  平滑或过大物体抓取需优化管长和驱动能力。
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  材料疲劳和磨损可能影响长期可靠性。
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  多单元间可能干扰，需未来研究定向驱动或分区控制。
  未来方向包括增加单元数量以替代复杂功能设计、开发选择性激活机制，以及探索物理智能（Physical Intelligence）和集体智能（Collective Intelligence）在软机器人中的应用。

4 结论

该纤毛状软抓取器通过主动纠缠机制，将抓取简化为空间体积缩减和机械互锁形成过程，无需传感或算法规划。多单元设计通过集体行为提升性能，对复杂结构物体效果尤佳，成功率近100%。未来将与移动机器人平台集成，进一步拓展应用场景。

5 实验部分

材料与实验设置

硅胶管具弹性（详见表S1），驱动线内置固定，电机采用SM-40BL-C001（12V伺服），机械臂为ABB IRB 14000。实验重复≥3次，CCD记录过程。

主动纠缠理论分析

引入拓扑复杂性度量——链接数（Linking Number, T_c），量化纠缠相互作用（公式1）。较大T_c值表示更多机械互锁。

软管压缩变形理论分析

变形视为屈曲行为，欧拉临界载荷（P_cr）描述压缩负载（公式2）。临界应力（δ）低于屈服应力（δ_y）（公式3），确保弹性变形无损。