將玩具彩虹圈彈簧首尾連接，竟能成為一臺自由爬行的軟體機器人？

是的，你沒看錯，就是兒童玩具彩虹圈彈簧（Slinky）！它在樓梯高處可依靠自身的彈性不斷“翻筋斗”，實現“拾級而下”。

受此彩虹圈玩具啟發，清華大學機械系李曙光副教授團隊設計了一種名為 WHERE-Bot 的軟體螺旋環狀翻轉機器人。

它的外形類似于掃地機器人，采用彈簧圈作為主體結構，通過滑環固定在中央輪轂上，并由電機驅動從而實現全向運動。

（來源：arXiv）

與一般的軟體機器人相比，WHERE-Bot 無需依賴復雜的傳感器或控制系統，就能展現出卓越的環境交互性能。

研究人員建立了運動學模型，用以解釋和預測機器人的運動軌跡。該機器人主要有三種獨特的運動模式：

第一種是沿輪轂進行螺旋翻轉運動；

（來源：課題組）

第二種是彈簧圈自身的旋轉運動，類似于“自轉”；

（來源：課題組）

第三種是由于不均勻質量分布產生的位移運動，在每個運動周期內，機器人會向固定方向移動固定距離，最終形成類似“公轉”的運動軌跡。

（來源：課題組）

在應用前景方面，WHERE-Bot 展現出多方面的技術優勢。其獨特的自翻轉推進方式使其特別適合管道檢測任務，能夠在管道內部實現高效移動。同時，該機器人在沙地或水域環境中，可通過翻轉運動實現物質運輸或挖掘功能，甚至可作為一種新型的流體推進裝置。

更值得關注的是，其固有的環境探索和自主避障能力，使其能夠勝任未知洞穴等特種環境的探測任務。李曙光指出，WHERE-Bot 就像旋轉的乒乓球，一旦接觸其他物體，便能自動避開，這種能力是目前絕大多數軟體機器人所不具備的。

圖丨李曙光課題組合影（來源：李曙光）

由于采用柔性結構設計，機器人在碰撞時不會造成設備損壞，并能夠調整運動軌跡。這一特性使其有望應用于新型移動機器人系統，甚至是“碰碰車”等娛樂設施，也可擴展為大型運載工具，在保證人機交互安全性的同時實現可靠運行。

該研究不僅為軟體機器人領域帶來了新的設計思路，其建立的簡化運動學模型也為類似系統的開發提供了理論參考。無論是小型化還是大型化應用，WHERE-Bot 都展現出獨特的技術價值和廣闊的應用前景。

思路創新：首尾相接的環形結構設計和翻轉運動方式

該研究是始于好奇心，在一次課題組的會議討論時，看著學生手里把玩的彩虹圈玩具，李曙光提出了一個創新的想法：如果將彩虹圈玩具的首尾相連，會產生怎樣的新奇運動？

于是，團隊成員立即行動，他們用膠帶將彈簧圈的首尾粘在一起，形成螺旋環狀結構，并設想如果讓它自動運行起來，也許會沿著地面翻轉滾動。在此基礎上，研究人員開啟了對這款獨特機器人的研究。

大多數輪式機器人或軟體機器人在環境探索任務中，往往依賴傳感器來檢測障礙物的位置，并基于復雜的控制策略來實現避障功能。

WHERE-Bot 的不同之處在于，它具有螺旋環狀結構和翻轉運動的特點，因而不需要依賴傳感器，而是沿著障礙物的邊界不斷翻滾來自動繞開障礙物，并且能夠全向運動。這種突破性的設計理念大大簡化了機器人的控制系統。

（來源：arXiv）

那么，它的運動模式是如何做到螺旋運動、“自轉”和“公轉”的呢？

該團隊采用簡單的螺旋彈簧結構，來實現無輪全向運動。這種由機械結構驅動的運動方式非常新穎。其核心原理在于巧妙利用了與地面接觸時質量分布不均勻產生的偏向性，通過調整電池和控制器的位置實現了定向運動控制。

李曙光表示，這種首尾相接的環形結構設計和翻轉運動方式在機器人領域里是獨一無二的。它就像是一個環狀的螺絲，當擰動這個“螺絲”時，會因與環境產生交互力而轉動起來。

研究人員在機器人上安裝了微型電機并與彈簧圈相連。當電機轉動時，它會帶動彈簧圈翻轉，從而實現了機器人的復雜運動。

為了增強運動的可控性，團隊在彈簧圈中部加裝了帶有齒輪結構的藍色圓環，這種設計使得彈簧圈與圓環之間產生類似蝸輪蝸桿的配合關系，從而有效驅動機器人轉動。

該課題組成員、清華大學機械系一年級博士生馮思源解釋說道：“當我們將 WHERE-Bot 放置在地面上時，翻轉的彈簧圈與地面之間存在摩擦力的交互，機器人會在地面上產生具有一定規律的運動軌跡。”

研究人員對機器人的運動特性進行了理論分析和實驗驗證。他們建立了周期性運動的數學模型，研究了重量分布對運動參數的影響，包括移動方向、距離、自轉角以及公轉軌跡半徑等關鍵參數。

通過大量實驗測量和視頻分析，驗證了簡化運動學模型的預測能力，雖然目前預測精度還有提升空間，但已能較好地反映機器人的運動趨勢。

在環境適應性測試中，WHERE-Bot 展現出了出色的環境交互能力：遇到平直障礙物時能沿邊界移動而不被卡住；在有邊界限制的環境中，可以從中心移動到邊界并沿邊界運動，有效映射環境輪廓。

此外，他們在機器人設計中還加入了一個可改變質量分布的配重裝置，由另一個電機驅動，可以沿輪轂滑動。這樣，通過改變配重在機器人上的方位，進而調整機器人的前進方向。

實驗采用人眼觀察和手動遠程控制相結合的方式，當機器人偏離預設的白色軌跡時，操作人員可實時調整配重方位使其回歸正確路徑。

（來源：arXiv）

日前，相關論文以《WHERE-Bot：一種無輪螺旋環翻轉式全向移動機器人》（WHERE-Bot：a Wheel-less Helical-ring Everting Robot Capable of Omnidirectional Locomotion）為題發表在預印本網站arXiv[1]。

清華大學博士生馮思源是第一作者，李曙光副教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：arXiv）

需要了解的是，由于當前版本的機器人使用的彈簧圈是塑料制成的，因此在負載和耐用性能方面存在一定的局限性。

此論文第二作者、清華大學機械系本科生顏登烽展望了未來的研究計劃：“我們正在嘗試從多個方面進行改進：在材料方面，計劃采用更高強度的工程材料制作彈簧圈；在功能拓展方面，將探索機器人在水域、沙地等復雜環境中的運動性能；在控制系統方面，將進一步優化轉向機構設計，以提高滑環方向調整的靈活性。”

另一方面，研究人員還計劃將 AI 算法或相關技術與 WHERE-Bot 結合，以實現更自主的導航和控制等功能。

通過“軟硬結合”實現復雜的機器人運動

李曙光課題組的重點研究方向是軟體機器人和集群機器人，其核心思想是將軟硬材料有機結合，并從簡單的機器人個體出發探索全局的復雜智能行為（DeepTech 此前報道：這位中國青年讓粒子機器人登上 Nature 封面 ；中國學者重新發明活塞，成果由 MIT、哈佛聯手完成）。

他們致力于“物理智能”這一前沿方向，重點關注如何直接利用材料特性和機械機構的本體智能，或通過巧妙的設計來實現復雜的機器人系統。

（來源：李曙光）

在智能抓取領域，該團隊提出了一種利用 AI 智能算法自動設計定制化軟體手爪的系統，并可通過 3D 打印實現低成本制造 [2]。這種定制化手爪尤其適用于工業產線應用或有特定物體抓取需求的任務。

該系統首先根據目標物體（如蘋果、香蕉等）的幾何特征自動生成初始手爪結構，再基于物理仿真對抓取性能評估，并對手爪設計進行迭代優化，最后通過 3D 打印技術快速制作原型，以獲得針對特定任務的最優設計方案。

值得關注的是，該系統不僅能設計單一物體抓取手爪，還能生成可同時穩定抓取多個異形物體（如蘋果和香蕉）的復合結構，展現出卓越的環境適應能力。

在運動控制方面，該課題組成功研制出一種具有 10 條腿的氣動軟體機器人 [3]，其創新性主要體現：采用一種獨特的氣動軟傳動系統（R-BESTS），將伺服電機的旋轉運動直接轉化為機器人腿部的擺動，借助“物理智能”突破了傳統氣動機器人需要外接泵、閥和管道的限制。

此論文第一作者、清華大學機械系二年級博士生賀一鳴總結了該機器人的優異性能：“單次充電可連續運行 90 分鐘，能以 1.75cm/s（0.07 倍體長/秒）的速度直線行走，以 15cm（0.6 倍體長）的轉彎半徑進行轉向，并可承載自身重量 70% 的負載，在多種復雜地形上展現出優異的單電機驅動的全向運動能力。”

（來源：課題組）

李曙光表示：“未來，我們希望減少對傳統電子元器件，例如控制器和處理器等計算單元的依賴，而是充分發揮機器人材料和機構的物理智能，以更簡單、更可靠的方式實現機器人的具身智能行為。”

據悉，這些重要研究成果，包括前文提到的 WHERE-Bot 機器人，都將在第八屆 IEEE 軟機器人技術國際會議（RoboSoft）上進行展示。此外，他們也在探索將科研成果向工業領域推廣的可能性。

參考資料：

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

運營/排版：何晨龍