具有张拉完整性可变刚度的仿生机器人象鼻，助力日常生活

为什么机器人“象鼻”对日常生活很重要

想象有一只额外的手臂，既能温柔地递给你电视遥控器而不打翻玻璃杯，又能有力地从架子上提起沉重的箱子。这项研究介绍了一种受大象启发的机器人“象鼻”，它可以在柔软灵活与刚硬有力之间快速切换。该装置安装在轮椅上，通过简洁的接口控制，旨在帮助行动不便的人在家中和公共场所完成日常任务。

向大象鼻子学习

大象的鼻子是生物学上的多功能工具：它可以不压碎地剥开香蕉，也可以举起超过许多人能力的重物。它通过不断调整肌肉的软硬度来实现这些功能，在需要力量时收紧一组肌肉，而在进行精细动作时放松它们。工程师长期以来尝试用充气结构、锁定机构或随温度硬化和软化的特殊材料来复制这一技巧。但早期的机器人设计通常只有少数固定的刚度设置，需要笨重的气泵，或反应速度太慢，无法实时应对变化。

由缆绳和弹簧构成的柔性骨架

研究团队构建了一种新型机器人象鼻，采用“张拉完整性”（tensegrity）骨架——由刚性杆件通过张紧的缆绳和弹簧网格维持结构。该象鼻长度不到一米、重量约一公斤，被划分为若干由巧妙排列的弹簧连接的段。通过电机拉动或释放六根内部缆绳，团队可以将象鼻弯成平滑曲线，或缩短并拉直。当某些缆绳被拉紧而其他缆绳放松时，象鼻变得柔软如蛇，能够绕开障碍物；当所有缆绳同时拉紧时，结构收缩，弹簧被拉伸并储存弹性能量，象鼻的刚度显著增加。

从温柔的接触到重量级的提举

通过精心的实验和计算机建模，团队展示了他们的象鼻可以将弯曲刚度改变一个数量级以上，从非常柔软到非常坚硬，并在约一秒内完成切换。内部测量显示，某些弹簧在收缩过程中伸长了数倍，显著增加了储能，从而提升整体刚度。在实际测试中，象鼻能够绕过狭窄空间到达目标，然后变硬以用小针精确刺破气球。它也能在保持端部水平的情况下提起从易碎的鸡蛋到沉重的工具和饮料包等物体，只需调整缆绳的拉力即可。

对外界实现实时反应

由于刚度可以快速且可重复地切换，机器人能够对不断变化的情境作出响应。在一次演示中，象鼻托住一个鸡蛋，同时有一瓶水从上方掉落。当象鼻处于柔软状态时，它容易变形，鸡蛋破裂；而当系统先将象鼻切换为刚性状态时，它能吸收同样的冲击而不使鸡蛋破碎。在另一项测试中，象鼻支撑一只正在缓慢灌满水的瓶子；随着重量增加，机器人自动缩短并变硬，以保持瓶子稳定且水平。这些例子表明，可变刚度的象鼻既能作为温和的操作器，也能在意外碰撞时提供保护结构。

在日常环境中帮助人们

为了探索真实环境下的应用，研究人员将机器人象鼻安装在电动轮椅上，并配备了摄像头、软抓手和简单的控制面板。用户用一个操纵杆控制轮椅，另一个操纵杆引导象鼻，同时屏幕显示摄像头视角。借助预设动作和手动微调，一位健康志愿者和一位中风后个体都使用该系统完成了日常任务：打开橱柜门、将书放到高架子上、把衣物放入洗衣机、扔垃圾，以及在商店和餐馆取回食物和饮料。通过滑动控制来改变刚度，用户可以在狭小空间或处理轻物时让象鼻变软，在搬运较重物品或需要精确放置时让象鼻变硬。

对未来的意义

这项工作表明，一种由缆绳和弹簧构成、受大象鼻子启发的机器人能匹配动物广泛的刚度范围和快速切换能力，同时足够轻巧紧凑，可安装在轮椅上。能够在温和顺应的运动和强大的承载支持之间平滑过渡，使该象鼻在注重安全性和适应性的辅助技术中尤为有前景。尽管长期耐久性和更智能的传感仍需改进，这项研究指向了这样一种未来：行动不便的人能够依赖高度响应的机器人帮手，拓展他们在日常生活中的触及范围和独立性。

引用: Zhang, J., Yang, C., Yang, H. et al. A bionic robotic trunk with tensegrity-enabled elephant-comparable stiffness variability for assisted daily living. Nat Commun 17, 3545 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70380-9

关键词: 软体机器人, 辅助技术, 可变刚度, 张拉完整性, 轮椅机器人