当卷王开始摸鱼，那是怎样的一幅景象？一句话，非常卷，一把卷起海星：

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螃蟹也不在话下：

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海螺也被卷走了：

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它不是只会摸鱼。其它的东西，各种形状的，它都能卷起来：

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对付电吹风这么复杂的形状也毫无压力：

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一篮水果也难不倒我们的卷王：

当卷王开始摸鱼！Soft Robotics刊登北工大软体机器象鼻灵活卷走各种物品(图6) data-backh="317" data-backw="562" data-galleryid="" data-imgfileid="502858754" data-ratio="0.5633333333333334" data-type="gif" data-w="600">

因为在水里捞鱼，所以很容易被当成机器章鱼须，但其实它的原理更像是大象鼻子。

这是由北京工业大学和多伦多大学联合团队研制的超弹性材料制成的软体机器人，相比传统刚性机器人，它可以更灵活、适应性更强。他们研究了大象、巨蟒和章鱼等生物通过收缩肌肉来完成的螺旋卷曲运动，并从中获得灵感。

这个大象鼻子的学名叫3D螺旋水液压软致动器（3D-SWHSA），是3D打印出来的。然后他们通过有限元分析和实验，分析了3D-SWHSA在空气和水中实现螺旋变形的能力，目标是实现生物模仿的卷曲运动，用于水下作业等应用。

相关研究以“Deformation Characteristics of Three-Dimensional Spiral Soft Actuator Driven by Water Hydraulics for Underwater Manipulator”为题发表在国际期刊《软体机器人学》（Soft Robotics）上。

当卷王开始摸鱼！Soft Robotics刊登北工大软体机器象鼻灵活卷走各种物品(图7) data-backh="190" data-backw="562" data-galleryid="" data-imgfileid="502858753" data-ratio="0.337037037037037" data-s="300,640" data-type="png" data-w="1080">

▍卷王是怎样练成的？

研究团队使用3D打印技术，用一种叫做热塑性聚氨酯（TPU）的材料，制作出了3D-SWHSA。为此他们专门调整了打印机的喷嘴，让它喷出的材料更多，这样制造时间就缩短了很多，差不多快了60%。

这个3D-SWHSA里面有很多小室，像蜂巢一样互相连通。一端是开放的，另一端是封闭的。

特别是它的上半部分的小室，这些小室的形状是半圆形的，而且排列得很有规律，可以让这个致动器弯曲成螺旋状。

下半部分是一个固定不动的层，就像一个限制器。当水进入这些小室并让它们膨胀时，这个固定层就会限制致动器的弯曲程度。

为了不让它卷过了头，他们特意增加了这一层的厚度，让它变得更厚实。

当有水进入这些小室并给它们加压时，这个致动器就会弯曲成螺旋状。

目前团队正在研究这些小室的形状是怎么影响致动器的弯曲程度的。他们想知道这些小室的形状是怎么让致动器变成螺旋状。

当卷王开始摸鱼！Soft Robotics刊登北工大软体机器象鼻灵活卷走各种物品(图8) data-galleryid="" data-imgfileid="502858755" data-ratio="1.3966480446927374" data-s="300,640" data-type="jpeg" data-w="358">

为了更好地开发由超弹性材料制成的仿生软体机器人，团队依据大象鼻子肌肉的组成和先前的研究，建立了一个卷曲变形预测模型。

通过研究大象、巨蟒和章鱼等生物展现出的螺旋卷曲运动，这个模型能够掌握肌肉水动力调节的原理，让软机器人在螺旋运动方面更加灵活、连续、适应性强和灵巧。

这个模型让软体机器人更接近自然生物，让机器人更接近自然界的生物，使软体机器人能够执行更加精确和高效的任务。

▍能有多卷？

3D-SWHSA结构由多个弯曲致动器单元（BATUs）串联而成。每个BATU包含五个扇形腔室。接下来，就是制作和测试弯曲和扭曲的致动器（BATAs），以验证设计的有效性。

通过模拟和实验，他们探索改变扇形腔室的圆度和倾斜度对螺旋形变的影响。

下图展示了不同圆角和偏心角度下的模拟和实验结果，结果显示较大的圆角会导致更多的弯曲，但较少的扭曲。此外， BATA-S（螺旋形）和BATA-IS（反螺旋形）这两种设计均表现出良好的弯曲和扭曲性能，其中BATA-S在扭曲方面表现更佳，而BATA-IS在弯曲方面略胜一筹。

为了更好地描述变形螺旋形状，作者引入了方程21-23来定义相关参数，如曲率半径、螺距和环路范围。最后，他们应用从扇形腔室设计中获得的弯曲和扭曲原理，来构建3D-SWHSAs并进行螺旋形变实验。通过区分BATA与BATA-S/BATA-IS等不同设计，可以更好地理解和优化机器人的性能。

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为了制作一个能在加压水进入时发生螺旋卷曲变形的3D-SWHSA，他们设计了一种特殊的小室结构，在受到水压时，相邻的小室会向相反的方向卷曲。

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▍物体抓取实验

3D-SWHSA的抓取实验分为两类，一类是把物体卷起来，另一类是把物体举起来。先是用一个3D-SWHSA来实验，然后再同时用两个3D-SWHSA。

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当使用两只3D-SWHSA象鼻时，要让物体的重心居中，这样在缠绕时物体才不会滑下来。

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▍给它上点强度

接下来看看它究竟能举起多重的东西。作者们给设备加了2.0 MPa的压力，让它里面充满了水。水压拉满之后，就用这个3D-SWHSA去提一些装着5到20公斤重物的塑料袋。虽然在提20公斤重物的时候，设备表面有点漏水，但还是成功地把重物提起来了。这个3D-SWHSA本身很轻，只有170克，但它的力气却不小，能提起比它自身重117.65倍的东西！

当卷王开始摸鱼！Soft Robotics刊登北工大软体机器象鼻灵活卷走各种物品(图17) data-backh="317" data-backw="562" data-galleryid="" data-imgfileid="502858766" data-ratio="0.5633333333333334" data-type="gif" data-w="600">

当卷王开始摸鱼！Soft Robotics刊登北工大软体机器象鼻灵活卷走各种物品(图18) data-backh="316" data-backw="500" data-galleryid="" data-imgfileid="502858764" data-ratio="0.632" data-s="300,640" data-type="jpeg" data-w="500">

然后就是前面说到的水里捞海鲜的实验了。3D-SWHSA象鼻在卷起软体海洋生物时，不会对它们造成伤害。因为使用了TPU材料，所以3D-SWHSA足够柔软，像海星和海参这些软软的生物不会被伤到。对于那些有硬壳的海洋生物，比如螃蟹和海螺，实验证明3D-SWHSA在缠绕过程中能适应它们的形状，完全不会伤到它们的壳。这样就不会破坏那些可以收藏的海螺了。

▍潜在的应用领域

这种由超弹性材料制造的软机器人拥有灵活性、连续性、适应性和灵巧性，适用于多种领域。比如它们可以精确地处理易碎物品。而且由于超弹性材料的特性，这些机器人能够更准确地模仿自然生物体的动作，因此也适用于仿生学和生物启发式机器人技术。在搜索和救援行动中，软机器人可以轻松穿越复杂和狭窄的空间，展现出其独特的优势。同时，由于超弹性材料的弹性和延展性，软机器人在面对恶劣环境或与人类互动时不易受损。此外，开发具有螺旋卷曲运动的软机器人还可以应用于材料处理、夹持和操作任务等领域。

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