原创 刘雅坤 2025-04-11 15:30 北京
将玩具彩虹弹簧圈首尾连接，竟能成为一台自由爬行的软体机器人？
将玩具彩虹圈弹簧首尾连接，竟能成为一台自由爬行的软体机器人？
是的，你没看错，就是儿童玩具彩虹圈弹簧（Slinky）！它在楼梯高处可依靠自身的弹性不断“翻筋斗”，实现“拾级而下”。
受此彩虹圈玩具启发，清华大学机械系李曙光副教授团队设计了一种名为 WHERE-Bot 的软体螺旋环状翻转机器人。
它的外形类似于扫地机器人，采用弹簧圈作为主体结构，通过滑环固定在中央轮毂上，并由电机驱动从而实现全向运动。
图丨软体螺旋环状翻转机器人 WHERE-Bot（来源：arXiv）
与一般的软体机器人相比，WHERE-Bot 无需依赖复杂的传感器或控制系统，就能展现出卓越的环境交互性能。
研究人员建立了运动学模型，用以解释和预测机器人的运动轨迹。该机器人主要有三种独特的运动模式：
第一种是沿轮毂进行螺旋翻转运动；
（来源：课题组）
第二种是弹簧圈自身的旋转运动，类似于“自转”；
（来源：课题组）
第三种是由于不均匀质量分布产生的位移运动，在每个运动周期内，机器人会向固定方向移动固定距离，最终形成类似“公转”的运动轨迹。
（来源：课题组）
在应用前景方面，WHERE-Bot 展现出多方面的技术优势。其独特的自翻转推进方式使其特别适合管道检测任务，能够在管道内部实现高效移动。同时，该机器人在沙地或水域环境中，可通过翻转运动实现物质运输或挖掘功能，甚至可作为一种新型的流体推进装置。
更值得关注的是，其固有的环境探索和自主避障能力，使其能够胜任未知洞穴等特种环境的探测任务。李曙光指出，WHERE-Bot 就像旋转的乒乓球，一旦接触其他物体，便能自动避开，这种能力是目前绝大多数软体机器人所不具备的。
图丨李曙光课题组合影（来源：李曙光）
由于采用柔性结构设计，机器人在碰撞时不会造成设备损坏，并能够调整运动轨迹。这一特性使其有望应用于新型移动机器人系统，甚至是“碰碰车”等娱乐设施，也可扩展为大型运载工具，在保证人机交互安全性的同时实现可靠运行。
该研究不仅为软体机器人领域带来了新的设计思路，其建立的简化运动学模型也为类似系统的开发提供了理论参考。无论是小型化还是大型化应用，WHERE-Bot 都展现出独特的技术价值和广阔的应用前景。
思路创新：首尾相接的环形结构设计和翻转运动方式
该研究是始于好奇心，在一次课题组的会议讨论时，看着学生手里把玩的彩虹圈玩具，李曙光提出了一个创新的想法：如果将彩虹圈玩具的首尾相连，会产生怎样的新奇运动？
于是，团队成员立即行动，他们用胶带将弹簧圈的首尾粘在一起，形成螺旋环状结构，并设想如果让它自动运行起来，也许会沿着地面翻转滚动。在此基础上，研究人员开启了对这款独特机器人的研究。
大多数轮式机器人或软体机器人在环境探索任务中，往往依赖传感器来检测障碍物的位置，并基于复杂的控制策略来实现避障功能。
WHERE-Bot 的不同之处在于，它具有螺旋环状结构和翻转运动的特点，因而不需要依赖传感器，而是沿着障碍物的边界不断翻滚来自动绕开障碍物，并且能够全向运动。这种突破性的设计理念大大简化了机器人的控制系统。
图丨 WHERE-Bot 的制作流程。主体结构是弹簧圈玩具，其他组件（不包括电路元件）是由 3D 打印而成（来源：arXiv）
那么，它的运动模式是如何做到螺旋运动、“自转”和“公转”的呢？
该团队采用简单的螺旋弹簧结构，来实现无轮全向运动。这种由机械结构驱动的运动方式非常新颖。其核心原理在于巧妙利用了与地面接触时质量分布不均匀产生的偏向性，通过调整电池和控制器的位置实现了定向运动控制。
李曙光表示，这种首尾相接的环形结构设计和翻转运动方式在机器人领域里是独一无二的。它就像是一个环状的螺丝，当拧动这个“螺丝”时，会因与环境产生交互力而转动起来。
研究人员在机器人上安装了微型电机并与弹簧圈相连。当电机转动时，它会带动弹簧圈翻转，从而实现了机器人的复杂运动。
（来源：课题组）
为了增强运动的可控性，团队在弹簧圈中部加装了带有齿轮结构的蓝色圆环，这种设计使得弹簧圈与圆环之间产生类似蜗轮蜗杆的配合关系，从而有效驱动机器人转动。
该课题组成员、清华大学机械系一年级博士生冯思源解释说道：“当我们将 WHERE-Bot 放置在地面上时，翻转的弹簧圈与地面之间存在摩擦力的交互，机器人会在地面上产生具有一定规律的运动轨迹。”
研究人员对机器人的运动特性进行了理论分析和实验验证。他们建立了周期性运动的数学模型，研究了重量分布对运动参数的影响，包括移动方向、距离、自转角以及公转轨迹半径等关键参数。
通过大量实验测量和视频分析，验证了简化运动学模型的预测能力，虽然目前预测精度还有提升空间，但已能较好地反映机器人的运动趋势。
在环境适应性测试中，WHERE-Bot 展现出了出色的环境交互能力：遇到平直障碍物时能沿边界移动而不被卡住；在有边界限制的环境中，可以从中心移动到边界并沿边界运动，有效映射环境轮廓。
此外，他们在机器人设计中还加入了一个可改变质量分布的配重装置，由另一个电机驱动，可以沿轮毂滑动。这样，通过改变配重在机器人上的方位，进而调整机器人的前进方向。
实验采用人眼观察和手动远程控制相结合的方式，当机器人偏离预设的白色轨迹时，操作人员可实时调整配重方位使其回归正确路径。
图丨 WHERE-Bot 的轨迹控制。通过视觉观察，手动控制机器人运动。（A）沿直线移动；（B）直线移动并改变方向（来源：arXiv）
日前，相关论文以《WHERE-Bot：一种无轮螺旋环翻转式全向移动机器人》（WHERE-Bot：a Wheel-less Helical-ring Everting Robot Capable of Omnidirectional Locomotion）为题发表在预印本网站 arXiv[1]。
清华大学博士生冯思源是第一作者，李曙光副教授担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：arXiv）
需要了解的是，由于当前版本的机器人使用的弹簧圈是塑料制成的，因此在负载和耐用性能方面存在一定的局限性。
此论文第二作者、清华大学机械系本科生颜登烽展望了未来的研究计划：“我们正在尝试从多个方面进行改进：在材料方面，计划采用更高强度的工程材料制作弹簧圈；在功能拓展方面，将探索机器人在水域、沙地等复杂环境中的运动性能；在控制系统方面，将进一步优化转向机构设计，以提高滑环方向调整的灵活性。”
另一方面，研究人员还计划将 AI 算法或相关技术与 WHERE-Bot 结合，以实现更自主的导航和控制等功能。
通过“软硬结合”实现复杂的机器人运动
李曙光课题组的重点研究方向是软体机器人和集群机器人，其核心思想是将软硬材料有机结合，并从简单的机器人个体出发探索全局的复杂智能行为（DeepTech 此前报道：这位中国青年让粒子机器人登上 Nature 封面 ；中国学者重新发明活塞，成果由 MIT、哈佛联手完成）。
他们致力于“物理智能”这一前沿方向，重点关注如何直接利用材料特性和机械机构的本体智能，或通过巧妙的设计来实现复杂的机器人系统。
图丨2018 年比尔·盖茨回母校美国哈佛大学参观实验室，了解机器人研究领域最新进展。图为当时在哈佛大学担任研究科学家的李曙光为其讲解最新的软体机器人研究成果（来源：李曙光）
在智能抓取领域，该团队提出了一种利用 AI 智能算法自动设计定制化软体手爪的系统，并可通过 3D 打印实现低成本制造 [2]。这种定制化手爪尤其适用于工业产线应用或有特定物体抓取需求的任务。
该系统首先根据目标物体（如苹果、香蕉等）的几何特征自动生成初始手爪结构，再基于物理仿真对抓取性能评估，并对手爪设计进行迭代优化，最后通过 3D 打印技术快速制作原型，以获得针对特定任务的最优设计方案。
值得关注的是，该系统不仅能设计单一物体抓取手爪，还能生成可同时稳定抓取多个异形物体（如苹果和香蕉）的复合结构，展现出卓越的环境适应能力。
（来源：课题组）
在运动控制方面，该课题组成功研制出一种具有 10 条腿的气动软体机器人 [3]，其创新性主要体现：采用一种独特的气动软传动系统（R-BESTS），将伺服电机的旋转运动直接转化为机器人腿部的摆动，借助“物理智能”突破了传统气动机器人需要外接泵、阀和管道的限制。
此论文第一作者、清华大学机械系二年级博士生贺一鸣总结了该机器人的优异性能：“单次充电可连续运行 90 分钟，能以 1.75cm/s（0.07 倍体长/秒）的速度直线行走，以 15cm（0.6 倍体长）的转弯半径进行转向，并可承载自身重量 70% 的负载，在多种复杂地形上展现出优异的单电机驱动的全向运动能力。”
（来源：课题组）
李曙光表示：“未来，我们希望减少对传统电子元器件，例如控制器和处理器等计算单元的依赖，而是充分发挥机器人材料和机构的物理智能，以更简单、更可靠的方式实现机器人的具身智能行为。”
据悉，这些重要研究成果，包括前文提到的 WHERE-Bot 机器人，都将在第八届 IEEE 软机器人技术国际会议（RoboSoft）上进行展示。此外，他们也在探索将科研成果向工业领域推广的可能性。
参考资料：
1.https://arxiv.org/abs/2503.07245
2.J. Jin, S. Feng and S. Li, Computational Design of Customized Vacuum-Driven Soft Grippers, IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 10, no. 2, pp. 1641-1648, Feb. 2025, DOI: 10.1109/LRA.2024.3523203.
3.https://arxiv.org/abs/2503.07321
运营/排版：何晨龙
