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为解决传统刚性机械臂在操作空间与存储体积间的权衡难题，研究人员开展了 GRIP - tape（Grasping and Rolling In Planar configurations）机器人的研究。结果表明，该机器人能实现多种操作功能，且具有柔顺、安全等特性，为复杂环境下的操作提供了新方案。
在科技飞速发展的今天，机器人在各个领域的应用越来越广泛。然而，传统刚性机器人手臂却面临着一个棘手的问题：它们在整体伸展距离和紧凑收纳体积之间难以平衡。想象一下，在太空探索中，航天器的空间十分有限，需要机械臂既能伸展到较远的地方执行任务，又能在不使用时紧凑地收纳起来，节省空间。但传统刚性机械臂由于其物理体积在运行过程中无法改变，根本无法满足这样的需求。此外，现有的可展开式机械臂也存在诸多不足，比如体积变化的主体和末端执行器通常是分离的，这不仅增加了系统的重量，还使得布线困难，而且整个系统缺乏可重构性。为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员使用的主要关键技术方法包括：设计并制作双向带状弹簧附件，通过多种力学测试（如三点弯曲测试、弯曲测试等）对其性能进行评估；构建机器人的运动学模型，利用正向和逆向运动学算法来控制机械臂的运动，并通过实验验证模型的准确性；在机械臂上集成力传感器，实现力反馈控制，提高操作的精确性和稳定性 。
下面来看具体的研究结果：
- 设计：
- 双向带状弹簧附件的开发：研究人员为避免单向带状弹簧在受力时的各向异性屈曲和扭转失效问题，将两个带状弹簧沿长度方向绑定在一起，制成双向带状弹簧。通过三点弯曲测试、带旋转台的弯曲测试以及疲劳测试等实验，验证了双向带状弹簧在承载能力、稳定性和耐久性方面的优势。
- 运动学和控制：GRIP - tape 机器人采用两个三角形双向带状弹簧附件作为抓取表面，每个附件有三个独立控制输入，再加上对附件间宽度的控制，共有七个控制变量。研究人员通过建立运动学模型，对机器人的工作空间、正向和逆向运动学进行分析，并通过实验验证了模型的准确性，证明 GRIP - tape 能够实现精确的定位控制。
- 附件力学：双向带状弹簧在伸展性方面优于单向带状弹簧，但在收纳时存在问题。研究人员通过在胶带间添加低摩擦套筒的方法，解决了双向带状弹簧的收纳难题。此外，研究还发现 GRIP - tape 与物体接触时的力学性能与理论模型存在差异，其接触相互作用力学性能与硅橡胶类似。
- 抓取能力和演示：
- 抓取、平移和旋转物体：GRIP - tape 机器人能够抓取各种形状和硬度的物体，如橡胶球、西红柿等，并实现物体的平移、原地旋转和向基部输送等操作。
- 被动柔顺性和鲁棒性：带状弹簧附件的被动柔顺性使其能在遇到障碍物时发生变形并继续完成任务，且材料特性赋予其自恢复能力，在受到撞击后能迅速反弹。
- 力传感：通过在角度控制臂中内置负载传感器，研究人员能够计算出作用在物体上的力，并通过实验验证了力传感的准确性。
- 自动抓取：利用附件长度和力反馈，GRIP - tape 机器人能够自主搜索、定位并抓取物体，通过一系列运动步骤实现自动抓取功能。
- 带反馈控制的旋转：针对非圆形物体旋转时可能出现的问题，研究人员通过力反馈控制调整附件间距，成功实现了对非圆形物体的稳定旋转。
- GRIP - tape 作为末端执行器的应用：研究人员设计了更紧凑的 GRIP - tape 作为机器人手臂的末端执行器，在 3D 空间中进行了多种操作演示，如采摘番茄、打开胡椒罐、从植物上采摘辣椒以及在狭窄间隙中移动物体等，展示了其在复杂环境下的操作能力。
在研究结论和讨论部分，GRIP - tape 机器人具有诸多优势。它不仅具备其他软机器人抓手的柔顺性、安全性和可重构性等特点，还能实现简单的原地旋转和高伸展性操作。其带状弹簧附件的固有最大负载和自恢复性确保了操作的安全性和鲁棒性，连续一致的结构便于在部分损坏时进行材料更新。此外，GRIP - tape 机器人在农业、太空和深海等领域具有潜在的应用价值。不过，该设计也存在一些可改进之处，例如当前的抓取形状不够理想，未来可以通过增加附件数量、进行表面处理等方式来提升其操作性能。总的来说，这项研究为软机器人的发展提供了新的思路和方向，基于可展开带状弹簧的机制为未来可重构机器人的发展带来了丰富的机遇。
