一根看似普通的充氣軟管緩緩探入人體與床墊間的縫隙，幾秒鐘后從另一側鉆出，在空中完成一次優雅的自鎖扣合，一張由機器人編織的柔性擔架就此成型，將一位身高170cm、體重74公斤的成年人平穩托起。

最近，來自麻省理工學院和斯坦福大學的工程師團隊在權威期刊《Science Advance》展示了一項機器人突破性技術：“環閉合抓取”。

這項技術讓機器人抓手獲得了“拓撲變形”的超能力，能在需要時從靈活探索的章魚觸手模式，一鍵切換為穩固承重的起重吊帶模式 ，成功解決了困擾機器人領域多年的力量與輕柔靈活不可兼得”的難題。

▍兩難困境：機器人抓取的“強度+輕柔”難以權衡

現實生活中，讓一個機器人去完成兩項任務：一是從一堆雞蛋中穩穩拿起一枚，二是從地上提起一桶20升的礦泉水。

對于傳統機器人抓手而言，這幾乎是道無解題。要輕柔拿雞蛋，抓手必須足夠軟；要提起重物，抓手又必須足夠硬。剛性與柔順，在單一形態的機械設計中被鎖死在蹺蹺板的兩端。

這正是當前機器人抓取技術的核心困境。研究人員將抓取過程拆解為兩個階段：建立抓取和保持抓取。

第一階段如同偵探工作，機械末端需要像人類手指一樣靈活探索，在復雜環境中找到抓取物體的最佳路徑和姿態。

第二階段則像舉重運動員的工作，需要穩定輸出力量，抵抗重力、慣性等各種干擾，同時不能因壓力過大而損壞物體。

傳統設計被迫在這兩種矛盾需求間做出妥協，也就是為增加力量而犧牲靈活性，或為追求靈活而放棄負重能力。

▍拓撲魔法：讓機器人在兩種形態間自由切換

麻省理工學院和斯坦福大學的團隊想出了一個絕妙方案：“為什么不讓機器人在不同階段變成不同的東西呢？”

他們從拓撲學中汲取靈感，提出了“環閉合抓取”范式，其核心是一種巧妙的形態切換機制。

環閉合抓取概述

第一階段：開啟探索模式。機器人以開環形態啟動，就像一條可以無限生長的柔軟藤蔓，其末端自由移動，在物體周圍執行復雜的導航任務。它可以鉆進人類手指都難以觸及的縫隙，在雜亂環境中規劃出最優抓取路徑。

關鍵瞬間：執行拓撲變換。當藤蔓末端完成環繞，抵達基座附近的鎖定點時，一個特制的固定機構會將其牢固鎖定。就在這一瞬間，開環變閉環，拓撲結構發生根本性改變。

第二階段：啟動承載模式。系統泄去內部氣壓，機器人身體變得像安全帶一樣柔軟，但強度絲毫未減。此刻，它不再試圖用硬扛的方式承重，而是像吊床一樣，純粹通過材料拉伸來分散載荷。

這其中原理，就像魔術師手中的環，分開時是靈活的長鏈，扣合后就成了堅固的承載圈。

▍藤蔓機器人：自然界生長策略的機械復刻

雖然探索出實現理想狀態的架構，但要讓這種機制能夠在開環和閉環拓撲結構之間動態轉換，還需要一種特殊的機器人身體——具備極致的柔韌靈活性和可靠的強度。

研究團隊給出了答案：柔性充氣機器人，更常被稱為“藤蔓機器人”。

這種受生物學啟發的設計聰明地模仿了植物的生長方式，通過內部充氣壓力推動自身材料從尖端外翻，實現像植物藤蔓一樣的生長。它完美契合了系統設計的核心原則。

此外，為滿足環路閉合抓取的要求，團隊為這套系統開發了一套模塊化組件，一組用于大規模抓取，另一組用于小規模抓取，分別包含：加壓生長的基座、作為本體的藤蔓機器人，以及用于鎖閉環路的末端固定絞盤裝置。

值得注意的是，單個閉環藤蔓機器人最大負載能力可達622 kg。

閉合回路抓取系統設計架構和組件設計

在本次研究中，藤蔓機器人展示了令人驚嘆的特性：

空間滲透大師：直徑僅26毫米的藤蔓，能鉆進17毫米的縫隙（比自身窄35%），像蛇一樣在雜亂零件堆中游走，精準定位目標。

靜默探索者：生長過程中幾乎不產生滑動摩擦，可以悄無聲息地滑入人體與床墊之間，而不打擾休息者。

變形金剛：充氣時保持管狀結構以利導航，放氣后管壁塌陷成帶狀，彎曲剛度趨近于零，卻能承受數百公斤的拉力。

▍場景演示：從舉起人類到纏繞鎖定

研究中展示的應用場景，讀起來就像一份“不可能任務清單”，但這套系統卻逐一輕松完成。

• 人體安全轉移：比醫用吊帶更溫和

在最具人文關懷的演示中，兩根藤蔓從床上方垂下，輕柔滑入志愿者身下，在空中鎖定成環，將74.1公斤的成年人平穩抬離床面25厘米。傳感器顯示，最大接觸壓力僅16.95千帕，遠低于標準醫用吊帶（>26.7千帕）。

• 雜物尋寶：在混亂中精準抓取

在一個裝滿螺栓、齒輪等雜物的箱子中，單根藤蔓像擁有自主意識般繞過重重障礙，找到并環繞一個6.8公斤壺鈴的手柄，然后穩穩提起，完美解決了“在干草堆里找針并撿起來”的經典機器人難題。

• 纏繞鎖定：創造永不脫落的抓取

最有趣的演示之一是“霍普夫鏈環”抓取。藤蔓主動穿過水桶把手自身的孔洞后閉合成環，與把手形成拓撲學上的互鎖結構。只要藤蔓不斷，物體就絕對無法脫離，實現了理論上的無限穩定。

此外，系統還展示了抓取西瓜不壓裂、從3米外拖回箱子、甚至讓被抓取的圓柱體在空中旋轉等技能，全面證明了其“剛柔并濟，大小通吃”的能力。

抓握多功能性演示

牽引和提升演示

▍未來展望：重新定義機器人手的形態與邊界

這項研究重新定義了我們對機器人抓取的理解，它不再是為了找到最好的抓手，而是讓抓手能夠隨時變成我們需要的樣子。這種思路一換，許多領域都可能迎來全新的改變。

在醫療護理中，我們可以用上自動化、個性化的轉移方案，不僅能大幅減少護理人員的職業損傷，也讓患者在過程中感受到更多的尊嚴與舒適。

物流和農業場景里，機器人將既能像人一樣輕柔地處理易碎品和新鮮果實，又擁有遠超人類的耐力與力量。

就算是在太空、深海這樣的極端環境，這種可以遠程“生長”、無限柔順的“機械藤蔓”，也能成為執行抓取、采樣等任務的理想工具。

而這種形態可變的設計思路，更會啟發越來越多的機器人專家跳出傳統框架，去創造能動態適應需求的下一代機器人。

目前，團隊正在研究如何為藤蔓集成更智能的實時導航系統，并進一步優化接觸力學模型，讓這套系統在各種應用場景中更加可靠、自主。

當機器人學會了在“探索的柔性”與“承載的可靠”之間自由切換，許多曾經被視為自動化禁區的領域正悄然打開大門。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady9581