在园艺领域，某些藤蔓植物具有极强的攀附能力。随着生长，其木质卷须能以相当大的力量缠绕障碍物，甚至能将整片围栏和树木拉倒。
受藤蔓这种螺旋缠绕特性的启发，麻省理工学院与斯坦福大学的工程师们联合研发了一款仿生机械抓手。这款机械手能够像藤蔓一样蜿蜒延伸，抓取包括玻璃花瓶和西瓜在内的各类物体，相比传统抓手设计更为温和。其放大版本甚至能安全地将人从床上抬起。
该机器人的核心结构是一个位于目标物体附近的加压箱体。从箱体中延伸出的长管如同袜子翻面一样向外充气伸展，形似藤蔓生长。管道延伸时会扭转盘绕在物体周围，随后继续向箱体方向延伸，在那里被自动夹紧固定，并通过机械方式卷回，以柔软的悬兜式抓握姿态将物体轻轻提起。
研究人员验证了这款藤蔓机器人能够安全稳定地提起各种重型及易碎物体。此外，该机器人还能穿越狭窄空间、推开障碍物，到达并抓取目标物体。
研究团队设想，这类机械抓手可广泛应用于多种场景，从农业采摘到重型货物装卸均有潜力。近期，团队正积极探索其在老年护理领域的应用——柔性充气藤蔓机器人或许能帮助老人轻柔地从床上起身。
"将人从床上转移是护理人员最费体力的任务之一，"麻省理工学院机械工程系博士生Kentaro Barhydt表示，"这类机器人不仅能减轻护理人员的负担，对患者而言也更温和舒适。"
Barhydt与斯坦福大学的共同第一作者O. Godson Osele及其团队成员，已将这一全新机器人设计发表于《科学进展》期刊。研究共同作者包括麻省理工学院的Ford工程教授Harry Asada、斯坦福大学的Richard W. Weiland工程教授Allison Okamura，以及斯坦福大学的Sreela Kodali、Cosmia du Pasquier，还有现就职于佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的前麻省理工学院研究生Chase Hartquist。
开环与闭环
斯坦福大学方面由Okamura领衔，在软体藤蔓仿生机器人领域已有开创性研究，其设计核心是由薄而坚韧的气动管构成，通过控制气压实现充气伸展。管道在延伸过程中能够扭转、弯曲并蜿蜒穿行于环境中，甚至可以挤过狭窄或杂乱的空间。
此前，研究人员主要探索藤蔓机器人在安全检查与搜救行动中的应用。麻省理工学院方面，Barhydt与Asada的团队长期致力于开发老年辅助机器人，他们开始思考：藤蔓仿生机器人能否解决老年护理中的具体难题——尤其是如何安全地将人从床上抬起？在养老院和康复机构中，这一转移过程通常借助患者升降机完成：护理人员需先将患者翻身，再将其转移至吊床状床单上，再将床单固定并挂接到机械升降装置，最终将患者轻轻悬空抬起，方式类似悬挂吊床或吊兜。
麻省理工学院与斯坦福大学团队由此设想：藤蔓机器人或许能自行蜿蜒钻入患者身下并环绕其周身，形成天然的悬吊结构，无需护理人员手动搬动患者。然而，研究人员意识到，要实现这一目标，必须在现有藤蔓机器人设计中补充一个关键缺失的功能——闭合回路。
现有藤蔓机器人大多为"开环"系统，即只能作为开放末端的线状结构延伸和弯曲，并不具备与任何结构固定连接以形成闭合回路的能力。Barhydt由此推断：如果藤蔓机器人能从开环转变为闭环，便能自行围绕物体形成悬吊结构，并将物体随之提起。
为此，Barhydt、Osele及团队成员在新研究中提出了一种兼具开环与闭环功能的仿生机械抓手设计。在开环模式下，机械藤蔓能延伸并缠绕物体形成牢固抓握，甚至能钻入躺在床上的人体下方；一旦抓握到位，藤蔓可继续延伸回到起始装置并与之连接，形成闭合回路，随后收缩以抓取物体。
"人们可能会以为抓取物体不过是伸手一握，但实际上涉及定位、保持等不同阶段，"Barhydt说，"通过在开环与闭环之间切换，我们能在各个阶段充分发挥两种形态的优势，从而实现新的性能突破。"
柔性悬吊
为验证开环与闭环融合概念，团队研发了一套用于安全抬起人体的大型机器人系统。系统由固定在顶部横杆两端的加压箱体组成，内置气泵可缓慢充气，驱动藤蔓管道向床头和床尾延伸。气压可精确控制，使管道轻柔地从人体下方穿过并将其环绕，再向上延伸回到各自的箱体。藤蔓随后穿过夹紧机构固定于箱体，绞盘将其向上卷收，从而轻轻将人抬起。
"像人体这样既重又脆弱的物体，现有机械手很难实现安全抓取，"Asada表示，"我们研发了一种藤蔓式生长型机械抓手，能够将物体包裹起来，柔和而稳固地悬空托举。"
"希望这项工作能激励同行在这一设计空间中继续探索，"共同第一作者Osele说，"我尤其期待其在医疗保健领域患者转移应用中的潜力。"
"我对未来用此类机器人辅助行动不便人士充满期待，"共同作者Okamura补充道，"与仿人机器人等其他方案相比，软体机器人相对安全、成本较低，且能针对特定人体需求进行优化设计。"
尽管这一设计最初源于老年护理领域的需求，研究人员也意识到它同样适用于其他抓取任务。除大型系统外，团队还研发了可安装在商业机械臂上的小型版本，并验证了其抓取和提升各类重型及易碎物体的能力，包括西瓜、玻璃花瓶、壶铃、金属棒堆叠物和操场皮球。藤蔓管道还能伸入杂乱的箱体中，取出目标物体。
"我们认为这种机器人设计能适应众多应用场景，"Barhydt说，"我们也在考虑将其应用于重工业，例如港口和仓库的起重机自动化操作。"
本研究部分获得美国国家科学基金会与福特基金会的资助支持。
Q&A
Q1：藤蔓仿生机械抓手是怎么工作的？
A：该机械抓手由一个加压箱体驱动，箱体中延伸出细长管道，通过气压控制向外充气伸展，像藤蔓一样缠绕目标物体后继续延伸回箱体，被夹紧固定，再由绞盘收回，从而将物体柔和托起。整个过程结合了"开环延伸"和"闭环锁定"两种模式，使其既能自由探路，又能形成稳固的悬吊结构。
Q2：藤蔓机器人在老年护理中能具体解决什么问题？
A：藤蔓机器人可以替代传统患者升降机，在无需护理人员手动搬动患者的情况下，自动蜿蜒钻入患者身下并环绕其周围，形成柔性悬吊结构，将患者从床上轻柔抬起。这不仅能大幅减轻护理人员的体力负担，也能让患者在转移过程中更舒适安全。
Q3：藤蔓机器人除了护理应用，还有哪些使用场景？
A：除老年护理外，藤蔓机器人还可以应用于农业采摘、重型货物装卸，以及港口和仓库的起重机自动化操作。研究团队已验证小型版本可抓取西瓜、玻璃花瓶、壶铃等多种重型及易碎物体，并能在杂乱环境中穿行取物，应用潜力广泛。
