你是否见过这样的矛盾场景：工厂机器人能轻松举起百公斤重物，却会在抓取鸡蛋时瞬间将其捏碎；柔性机械抓手能温柔托起玻璃制品，面对重载时却力不从心；传统机械臂在规整环境中得心应手，遇到不规则物体或复杂空间就束手无策。
* 本文只做阅读笔记分享 *
一、行业痛点：传统抓取的 "两难困境"
成功的抓取过程包含两个关键阶段 ------构建稳定抓取姿态与保持抓取并安全操作，而这两个阶段的需求天然冲突：
构建阶段需要 **"灵活多变"：**要适应不同形状、尺寸的物体，还要能在狭窄空间、杂乱环境中调整姿态；
保持阶段需要 **"强固且温和"：**既要抵抗重力、惯性等干扰力，又不能对易碎品（如玻璃、瓜果）或柔软对象（如人体）造成压力损伤。
传统技术始终被困在 "单一拓扑形态" 的牢笼中：
**开环机构（如机械臂、柔性手指）：**末端可自由活动，能灵活构建抓取姿态，但需依赖弯曲刚度保持抓取，必然牺牲柔性，无法兼顾 "强" 与 "柔"；
**闭环机构（如绳索、吊索）：**通过张力均匀分散载荷，可温柔承载重物，但缺乏自由末端，无法灵活绕行物体，抓取通用性极差。
从工业场景中的重型易碎件搬运，到养老护理中的人体转移，传统技术要么需要复杂人工辅助，要么存在安全隐患，始终难以满足高要求应用场景的需求。
二、核心创新：拓扑变换实现 "双向赋能"
环闭抓取的革命性突破，在于让抓取机构在不同阶段动态切换拓扑形态------ 用开环形态实现 "灵活构建"，用闭环形态实现 "强柔并济"，通过拓扑变换将两者优势完美融合，彻底打破传统技术的性能枷锁。
1. 三步实现完美抓取
整个抓取过程遵循清晰的逻辑链条，每一步都精准匹配阶段需求（图 2）：
① **开环构建阶段：**机构以开环形态活动，末端可自由绕行物体，甚至能穿过比自身直径小 35% 的狭窄缝隙，灵活调整至理想抓取姿态；
② **拓扑变换阶段：**通过末端紧固装置，将开环机构的末端与基座固定，形成闭环结构，且不改变已构建的抓取姿态；
③ **闭环保持阶段：**闭环机构放气后呈现 "无限弯曲柔顺性"（零弯曲刚度），仅通过张力承载载荷，压力均匀分散在大面积接触面上，实现强固且温和的抓取。
释放抓取时，只需解除末端固定，恢复开环形态即可灵活脱离物体，整个过程流畅且无损伤。
2. 关键载体：软生长充气梁机器人
为实现这一理念，研究团队选用 "软生长充气梁机器人（Vine robots，藤蔓机器人）" 作为核心执行机构，其特性完美匹配设计需求：
**充气时：**呈开环管状结构，通过压力驱动从末端 "生长"，可绕行障碍物、穿过狭窄空间，甚至能在物体与支撑面之间无间隙穿行；
**放气后：**变为柔性片状结构，拉伸强度极高（大型系统单环可承载 622kg），弯曲刚度趋近于零，接触压力可低至 16.95kPa（远低于医疗吊带 26.7kPa 的安全阈值）；
配合末端紧固绞盘和基座卷扬机，实现拓扑变换与载荷调节，构成完整的环闭抓取系统。
三、实测验证：这些难题终于被攻克
研究团队通过一系列严苛实测，全面验证了环闭抓取的超强性能，覆盖多个传统技术难以企及的场景：
1. 灵活多变：复杂环境与异形物体轻松应对
**杂乱环境作业：**成功抓取掩埋在零件堆中的 6.8kg 哑铃，藤蔓机器人灵活穿过 17mm 窄缝（自身直径 26mm），避开周围所有障碍物；
**拓扑互锁抓取：**通过开环绕行、闭环锁定，实现与圆环、水桶手柄的 "霍普夫链" 式抓取，理论上抗干扰能力无限，这是首次实现该拓扑构型的 robotic 抓取；
**无间隙抓取：**针对桌面放置的玻璃花瓶，藤蔓机器人从花瓶与桌面的缝隙中穿行，无需预先开辟空间即可形成闭环，平稳将花瓶举起；
**远距离操作：**成功抓取 3 米外的箱体并拉回，藤蔓机器人最长可延伸至 6.7 米，远超自身基座尺寸，还能抓取比基座大 19 倍的物体。
2. 强柔并济：重型易碎件与人体安全承载
**人体转移：**大型系统通过两个藤蔓机器人，从床面与人体之间的缝隙中穿行并形成闭环，平稳抬起 74.1kg 的人体至 25cm 高度，全程无不适，接触压力仅 16.95kPa，远低于医疗安全阈值；
**重型易碎件抓取：**小型系统成功抓取 5.9kg 的西瓜和 1.0kg 的玻璃花瓶，既无挤压损伤，又能稳定承载，解决了 "重而脆" 物体的抓取难题；
**多物体同步抓取：**通过闭环收紧，将一堆不规则管道牢牢固定并转移，无需依赖重力即可保持稳定抓取，释放时平滑无摩擦。
3. 精细操控：空中姿态调整成为可能
利用放气后藤蔓机器人的连续柔性，配合两端卷扬机的协同操作，可实现物体的空中姿态调整。实验中，系统成功抓取圆柱物体后，通过调整藤蔓机器人的长度分配，让圆柱在半空中旋转，展现出超越传统抓取的精细操控能力。
四、应用前景：多领域迎来 "抓取革命"
环闭抓取技术的突破，不仅解决了长期存在的技术矛盾，更极大拓宽了机器人抓取的应用边界，多个高价值领域将直接受益：
1. 医疗与护理
老年人、残疾人的无接触转移，避免人工搬运的拉伤风险和压力损伤；
医院患者的床旁转移、康复训练辅助，提升医疗服务的安全性与效率。
2. 工业与制造
重型易碎件（如航空部件、玻璃制品）的柔性搬运，降低生产损耗；
农业采摘、 livestock 转运，兼顾效率与产品完整性。
3. 应急与救援
废墟中伤员转移、狭小空间重物清理，无需预先开辟操作空间；
海上、山地救援中的人员与物资转运，适应复杂地形环境。
4. 特种场景
航天领域：在轨空间碎片收集、航天员应急救援，长距离柔性操控；
仓储物流：不规则货物的快速分拣与转运，提升分拣效率；
可穿戴设备：自动紧固衣物、医疗辅助装置，提升佩戴便利性。
结语
从单一拓扑到动态切换，环闭抓取技术用 "形态变革" 重新定义了机器人抓取的可能性。软生长机器人与拓扑变换的巧妙结合，既最大化了软机器人的柔顺优势，又弥补了其承载能力的短板，让 "强固、温和、多变" 不再是相互矛盾的需求。
未来，随着多段式、分支式藤蔓机器人的发展，以及主动转向、传感控制技术的升级，这项技术将在更多高难度场景中落地。当机器人既能稳稳举起千斤重物，又能温柔托住一片羽毛，既能灵活穿梭复杂空间，又能精准操控物体姿态，一个更加智能、安全、高效的自动化时代正加速到来。
参考文献：
Kentaro Barhydt et al. Loop closure grasping: Topological transformations enable strong, gentle, and versatile grasps. Sci. Adv.11, eady9581(2025).