一根看似普通的充气软管缓缓探入人体与床垫间的缝隙，几秒钟后从另一侧钻出，在空中完成一次优雅的自锁扣合，一张由机器人编织的柔性担架就此成型，将一位身高170cm、体重74公斤的成年人平稳托起。

最近，来自麻省理工学院和斯坦福大学的工程师团队在权威期刊《Science Advance》展示了一项机器人突破性技术：“环闭合抓取”。

这项技术让机器人抓手获得了“拓扑变形”的超能力，能在需要时从灵活探索的章鱼触手模式，一键切换为稳固承重的起重吊带模式 ，成功解决了困扰机器人领域多年的力量与轻柔灵活不可兼得”的难题。

▍两难困境：机器人抓取的“强度+轻柔”难以权衡

现实生活中，让一个机器人去完成两项任务：一是从一堆鸡蛋中稳稳拿起一枚，二是从地上提起一桶20升的矿泉水。

对于传统机器人抓手而言，这几乎是道无解题。要轻柔拿鸡蛋，抓手必须足够软；要提起重物，抓手又必须足够硬。刚性与柔顺，在单一形态的机械设计中被锁死在跷跷板的两端。

这正是当前机器人抓取技术的核心困境。研究人员将抓取过程拆解为两个阶段：建立抓取和保持抓取。

第一阶段如同侦探工作，机械末端需要像人类手指一样灵活探索，在复杂环境中找到抓取物体的最佳路径和姿态。

第二阶段则像举重运动员的工作，需要稳定输出力量，抵抗重力、惯性等各种干扰，同时不能因压力过大而损坏物体。

传统设计被迫在这两种矛盾需求间做出妥协，也就是为增加力量而牺牲灵活性，或为追求灵活而放弃负重能力。

▍拓扑魔法：让机器人在两种形态间自由切换

麻省理工学院和斯坦福大学的团队想出了一个绝妙方案：“为什么不让机器人在不同阶段变成不同的东西呢？”

他们从拓扑学中汲取灵感，提出了“环闭合抓取”范式，其核心是一种巧妙的形态切换机制。

环闭合抓取概述
 

第一阶段：开启探索模式。机器人以开环形态启动，就像一条可以无限生长的柔软藤蔓，其末端自由移动，在物体周围执行复杂的导航任务。它可以钻进人类手指都难以触及的缝隙，在杂乱环境中规划出最优抓取路径。

关键瞬间：执行拓扑变换。当藤蔓末端完成环绕，抵达基座附近的锁定点时，一个特制的固定机构会将其牢固锁定。就在这一瞬间，开环变闭环，拓扑结构发生根本性改变。

第二阶段：启动承载模式。系统泄去内部气压，机器人身体变得像安全带一样柔软，但强度丝毫未减。此刻，它不再试图用硬扛的方式承重，而是像吊床一样，纯粹通过材料拉伸来分散载荷。

这其中原理，就像魔术师手中的环，分开时是灵活的长链，扣合后就成了坚固的承载圈。

▍藤蔓机器人：自然界生长策略的机械复刻

虽然探索出实现理想状态的架构，但要让这种机制能够在开环和闭环拓扑结构之间动态转换，还需要一种特殊的机器人身体——具备极致的柔韧灵活性和可靠的强度。

研究团队给出了答案：柔性充气机器人，更常被称为“藤蔓机器人”。

这种受生物学启发的设计聪明地模仿了植物的生长方式，通过内部充气压力推动自身材料从尖端外翻，实现像植物藤蔓一样的生长。它完美契合了系统设计的核心原则。

此外，为满足环路闭合抓取的要求，团队为这套系统开发了一套模块化组件，一组用于大规模抓取，另一组用于小规模抓取，分别包含：加压生长的基座、作为本体的藤蔓机器人，以及用于锁闭环路的末端固定绞盘装置。

值得注意的是，单个闭环藤蔓机器人最大负载能力可达622 kg。

闭合回路抓取系统设计架构和组件设计
 

在本次研究中，藤蔓机器人展示了令人惊叹的特性：

空间渗透大师：直径仅26毫米的藤蔓，能钻进17毫米的缝隙（比自身窄35%），像蛇一样在杂乱零件堆中游走，精准定位目标。

静默探索者：生长过程中几乎不产生滑动摩擦，可以悄无声息地滑入人体与床垫之间，而不打扰休息者。

变形金刚：充气时保持管状结构以利导航，放气后管壁塌陷成带状，弯曲刚度趋近于零，却能承受数百公斤的拉力。

▍场景演示：从举起人类到缠绕锁定

研究中展示的应用场景，读起来就像一份“不可能任务清单”，但这套系统却逐一轻松完成。

• 人体安全转移：比医用吊带更温和

在最具人文关怀的演示中，两根藤蔓从床上方垂下，轻柔滑入志愿者身下，在空中锁定成环，将74.1公斤的成年人平稳抬离床面25厘米。传感器显示，最大接触压力仅16.95千帕，远低于标准医用吊带（>26.7千帕）。

• 杂物寻宝：在混乱中精准抓取

在一个装满螺栓、齿轮等杂物的箱子中，单根藤蔓像拥有自主意识般绕过重重障碍，找到并环绕一个6.8公斤壶铃的手柄，然后稳稳提起，完美解决了“在干草堆里找针并捡起来”的经典机器人难题。

• 缠绕锁定：创造永不脱落的抓取

最有趣的演示之一是“霍普夫链环”抓取。藤蔓主动穿过水桶把手自身的孔洞后闭合成环，与把手形成拓扑学上的互锁结构。只要藤蔓不断，物体就绝对无法脱离，实现了理论上的无限稳定。

此外，系统还展示了抓取西瓜不压裂、从3米外拖回箱子、甚至让被抓取的圆柱体在空中旋转等技能，全面证明了其“刚柔并济，大小通吃”的能力。

抓握多功能性演示
 

牵引和提升演示
 

▍未来展望：重新定义机器人手的形态与边界

这项研究重新定义了我们对机器人抓取的理解，它不再是为了找到最好的抓手，而是让抓手能够随时变成我们需要的样子。这种思路一换，许多领域都可能迎来全新的改变。

在医疗护理中，我们可以用上自动化、个性化的转移方案，不仅能大幅减少护理人员的职业损伤，也让患者在过程中感受到更多的尊严与舒适。

物流和农业场景里，机器人将既能像人一样轻柔地处理易碎品和新鲜果实，又拥有远超人类的耐力与力量。

就算是在太空、深海这样的极端环境，这种可以远程“生长”、无限柔顺的“机械藤蔓”，也能成为执行抓取、采样等任务的理想工具。

而这种形态可变的设计思路，更会启发越来越多的机器人专家跳出传统框架，去创造能动态适应需求的下一代机器人。

目前，团队正在研究如何为藤蔓集成更智能的实时导航系统，并进一步优化接触力学模型，让这套系统在各种应用场景中更加可靠、自主。

当机器人学会了在“探索的柔性”与“承载的可靠”之间自由切换，许多曾经被视为自动化禁区的领域正悄然打开大门。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady9581