秒级切换刚柔态！北大谢广明教授团队研发仿生章鱼抓取器

如果让你设计一台水下机器人，你会给它装上螺旋桨，还是机械爪？

在自然界，有一种生物早就给出了满分答案——章鱼。它能轻松抓起比自身重几十倍的猎物，又能温柔地抚摸自己的卵。这种刚柔并济的神技，源自它的八条腕足，平时柔软如绸，一触即卷；需要发力时，又能瞬间绷紧成钢筋。

受此启发，北京大学先进制造与机器人学院谢广明教授团队设计出快速刚度调节水下抓取器，不仅实现了1.3秒软化、0.8秒硬化的变态级响应速度，还搭载在一款仿生机器人上，完成了“静音抓取-上浮运输”的全套水下作业。研究成果于昨日发表在Science 合作期刊《Cyborg and Bionic Systems》上。

要知道，此前基于形状记忆聚合物（SMP）的软体机器人，最大的痛点就是“慢热”。加热软化要几十秒，冷却硬化更要命，动辄半分钟以上。而这次，团队直接把切换时间压缩到了亚秒级，速度提升了30倍以上。

01.

把海水变成散热器：一个三层结构的热力学魔术

传统SMP驱动器为什么慢？问题出在散热上。

想象你在冬天用热水袋暖手，放一会儿就凉了，得重新加热。SMP材料也是一样，要变软，得加热到玻璃化转变温度（约66℃）以上；要变硬，得冷却下来。在空气中，自然冷却慢得像蜗牛。

于是研究团队在想，既然在水里作业，为什么不把海水变成主动散热器？

他们设计了一个精妙的三层热界面结构。内层硅胶负责把镍铬加热丝的“线热源”均匀扩散成“面热源”，防止PLA局部烧焦；外层硅胶在加热阶段充当保温层，把热量锁在内部实现快速升温；一旦断电，21℃的海水立刻化身高效散热器，利用水的高对流换热系数，把热量瞬间带走。

配备形状记忆聚合物 (SMP) 的机械臂的结构和水下性能

这套“脉冲加热-环境冷却”的策略，让软化仅需1.3秒，硬化更是只要0.8秒，比眨眼还快。更绝的是，硬化后的形状零能耗保持。

不像传统气动抓手需要持续抽真空维持抓取力，这个抓取器一旦锁定，就像冻住的章鱼腕足，不需要任何能量输入就能稳稳托住重物。论文里管这叫“零能耗形状锁定”，对于需要长时间水下作业的机器人来说，简直是续航神器。

02.

六臂章鱼侠：从软绵绵到力大无穷的变形秀

这个抓取器长什么样？它有一个中央连接器，伸出六条仿生机械臂，每条臂上嵌着三个吸盘，内部藏着SMP可变刚度系统。

可变刚度抓取器：结构、设计验证和性能评估

六条臂的设计不是随便定的。通过对称布局，它可以实现模式II（双臂）、模式IV（四臂）、模式VI（六臂）三种抓取形态，每个机械臂上3个吸盘排列，可最大化有效吸附面积，并在不规则表面上提供粘附冗余。吸盘可以通过负压产生吸力，增强抓取物体时的稳定性。在正压驱动下，吸盘可以主动与物体分离。

机械臂在不同状态下性能不一。在100 kPa驱动压力下，软化状态的臂能弯曲161°，像真正的章鱼腕足一样贴合物体表面；硬化后，刚度瞬间提升25倍，尖端最大输出力达到1.56 N（约160克）。六臂协同模式下，整体抓取力超过4 N，相当于能稳稳抓起400克以上的物体。

对比测试更是惊人。没有SMP的软臂，抓起20克物体就晃晃悠悠；硬化后的SMP臂，同样的20克负载，末端形变微乎其微。

这种”先软后硬“的操作策略，通过先软着贴上去，再硬着举起来，完美解决了软体机器人适应性强但负载弱的经典难题。

03.

实战演练：2米深水池里的“海洋清洁工”

光在实验室里秀肌肉不算本事，团队直接把抓取器装到了章鱼启发式向上运输机器人OUT-Robot上。它的外壳是硅胶软壳+刚性骨架的复合结构，内部有水泵和电磁阀控制系统。六条机械臂既是抓手也是腿。

具有可变刚度夹爪的 OUT-Robot 的设计

研究团队在在2米深的实验室水池里搞了一场水下大扫除。场景设置得相当刁钻，底部压着板材，上面堆着扇贝、海参、铝型材、塑料瓶，最外层罩着废弃渔网，还用石头压住。这要是派潜水员下去，得折腾半天。

OUT-Robot的操作行云流水。

首先，机械臂切换到模式 VI，I六臂齐出掀开渔网（约0.9克）；随后，切模式IV，四臂抓起塑料瓶转移；接着再切回模式VI，采集海参和扇贝；之后切换到吸盘模式，无损抓取易碎板材；随后，六臂模式搬运铝型材；最后，四臂+吸盘双模式，搞定表面光滑的约500克重啤酒瓶。

机械臂在复杂水下环境中集成多模态抓取和快速刚度变化的能力

全程无需上浮换气，抓取器在软硬状态间无缝切换，吸盘的负压吸附和臂的包裹抓取协同作战。

论文特别强调，这套系统能处理的物体跨度极大。从不到1克的轻小碎片，到超过500克的重型固体废物，动态范围远超传统水下抓手。

04.

静音送货：浮力驱动的“拾取-漂浮”革命

如果说快速刚度调节是“手”的进化，那OUT-Robot的运输模式就是“脚”的颠覆。

传统水下机器人靠螺旋桨或喷水推进，噪音大、能耗高，还会搅起泥沙吓跑海洋生物。OUT-Robot反其道而行，用浮力驱动+机械臂爬行的双模态移动。

第一招：飘着走，零噪音上浮

抓取物体后，向软壳内注入空气增加浮力，机器人就像潜水艇一样被动上浮，完全不需要推进器。实测5秒上浮40厘米，悄无声息。

第二招：爬着走，六臂当腿

光靠漂不够，海底得能爬。OUT-Robot的六条臂还能当腿用。任意5条臂同时弯曲到最大角度时释放压力，机器人就会朝唯一没弯曲的那条臂所指方向移动。由于六条臂分布在不同方向，通过控制不同臂的弯曲组合，就能实现水下全方位爬行。实测沿固定方向55秒爬行70厘米。

连续作业：3次循环，零能耗上升

真正考验实力的是连续向上运输测试：减压下沉→游到目标上方→抓取→充气上浮→重复3次，全程无需人类干预。

更妙的是，抓取和推进系统物理隔离。当六臂锁定物体后，电磁阀会把机械臂与液压回路切断，水泵全力负责浮力调节，互不干扰。这种“脉冲驱动，零保持”的策略，让整个作业循环的能耗极低：软化阶段约75焦耳，峰值功率57.6瓦，持续1.3秒，浮力激活仅约10焦耳，上升过程则完全零能耗。

相比连续驱动的传统方案，这种“干活时耗电，飘着时省电”的模式，为生态敏感的海洋修复任务提供了可持续解决方案。

05.

从实验室到深海：还有多远？

当然，这还是个实验室原型。论文坦诚指出了局限：空气浮力系统的可压缩性限制了作业深度，目前只能在0-50米的近岸浅水区使用。

不过团队表示，这种特定的应用场景反而让它成为重型深海ROV的静音搭档。也就是说，在生态敏感的浅水区执行精细作业，深海大机器干不了的活，交给这个章鱼小弟。

未来的升级方向也很清晰。集成水下计算机视觉，让机器人自己识别物体并选择抓取模式；在吸盘里加入触觉传感器，在浑浊水域验证吸附质量；甚至集群部署，多个OUT-Robot协同完成分布式清理任务。

想象一下，未来的近海养殖区，一群“电子章鱼”悄无声息地游弋，捡起海底垃圾，托起受伤的海龟，修复被渔网缠住的珊瑚，没有噪音，没有污染。这个水下机器人，或许将成为守护海洋的新工具。

论文链接：https://spj.science.org/doi/full/10.34133/cbsystems.0528