意大利技术研究院的研究人员开发了一款85厘米长的软体连续臂ELEANOR，通过3D打印制成单一锥形结构，并由模拟大象鼻子纵向和斜向肌肉的肌腱驱动。通过优先考虑结构连续性而非模块化，该臂能够对形状和尺寸各异的物体进行全身抓取，证明仿生宏观设计可以产生灵巧、自适应的操控能力，而无需显式编程运动。
目录
研究人员建造了什么
ELEANOR是一款软体、可连续变形的机械臂，再现了非洲象鼻的宏观解剖结构。与之前强调离散模块的模块化连续机器人不同，ELEANOR采用单一、体积镶嵌结构，由柔性材料3D打印而成。该臂长85厘米，从根部到尖端逐渐变细，设计为被动柔顺。驱动通过一组沿臂长分布的肌腱实现，其排列方式模仿了生物象鼻中的纵向和斜向肌群。
设计理念刻意采用自下而上的方式：团队不预设特定行为，而是让系统的结构和材料特性自然产生类似大象的运动。整个臂部通过3D打印制造，简化了生产流程，并允许精确控制锥形几何和内部晶格图案。肌腱布线系统实现了多个自由度和缠绕运动，使臂能够以刚性关节机器人无法做到的方式缠绕物体。
ELEANOR代表了大多数软体机械臂的突破，这些机械臂要么是充气的，要么依赖离散波纹管。相反，它是一种“软体结构”臂——一种具有嵌入式驱动路径的连续整体结构。这使其既具有韧性，又天生对人机交互安全。
关键成果
ELEANOR展示了执行全身抓取的能力——用整个臂部缠绕物体，而非仅使用末端执行器。团队测试了各种形状和尺寸的物体，包括圆柱体、球体和不规则形状。该臂贴合每个物体的轮廓，将接触力分布在大面积上，实现了稳固抓取而不会压碎或掉落物体。
研究人员还将ELEANOR的运动与真实象鼻进行了定性比较，注意到臂部弯曲、卷曲和支撑物体的方式相似。其85厘米长度使其适用于桌面操作任务和人机辅助应用。由于臂部完全柔软且由肌腱驱动，它可以在靠近人的地方安全操作——这是现代协作机器人技术的关键要求。
| 规格 | ELEANOR |
|---|---|
| 长度 | 85厘米 |
| 制造方式 | 3D打印柔性材料 |
| 驱动方式 | 肌腱驱动（纵向+斜向模式） |
| 抓取方法 | 全身缠绕 |
| 结构类型 | 连续体、锥形、整体式 |
| 控制模式 | 开环（已演示） |
工作原理
ELEANOR是一种连续机器人——一种能够连续弯曲而非在离散关节处弯曲的机械臂。臂体是一个单一的、空心的锥形圆柱体，由柔性3D打印聚合物制成。内部空隙和晶格状结构赋予其体积镶嵌特性：一种重复的细胞图案，可分布应变，使臂部能够平滑地向任何方向弯曲。
肌腱系统是驱动的关键。肌腱（细缆线）从根部通过臂内的通道延伸到沿其长度的附着点。通过拉动特定肌腱，臂部缩短一侧并延长另一侧，从而引起弯曲。肌腱的排列模仿了真实象鼻中的两组肌肉：
- 纵向肌肉 – 沿臂部全长延伸的肌腱，用于主要弯曲和抓取。
- 斜向肌肉 – 螺旋或对角缠绕的肌腱，可实现扭转和弯曲-扭转组合运动。
由于臂部未分段，任何肌腱拉动的组合都会产生连续曲率。锥形形状——根部较粗、尖端较细——自然地将刚度集中在根部附近，灵活性集中在尖端附近，类似于生物象鼻。这种顺应性梯度有助于臂部既承受负载又贴合物体。
目前控制为开环：操作员根据所需形状命令肌腱位移。臂部的被动柔顺性处理对物体几何形状的适应，无需传感器反馈。未来工作可以集成使用摄像头或嵌入式应变传感器的闭环控制。
这对机器人技术为何重要
ELEANOR解决了软体机器人技术中一个长期存在的空白：构建一个足够大以处理实际任务，同时又易于制造和控制的连续臂。其全身抓取能力对于处理刚性夹爪会损坏的易碎、不规则或精细物体特别有价值。食品处理、农业和物流等行业可能受益于这种能够轻柔包裹产品的顺应性臂部。
臂部的固有安全性和适应性也使其成为人机协作的有力候选。与需要安全笼的刚性工业臂不同，ELEANOR可以在工人旁边操作并安全接触。这开启了装配、拾取和放置以及辅助机器人技术中的应用。
对于评估软体机械臂的买家和工程师，ELEANOR证明设计良好的整体结构可以胜过复杂的模块化系统。如果您正在寻找能够处理精细或可变物体的机器人，在Robot Overflow上探索出售的二手机器人或具有顺应功能的工业机器人可以帮助找到当前选项。对于面向未来的项目，请关注像ELEANOR这样的软体连续设计，因为它们正迈向商业化。
局限性与未解问题
ELEANOR是一个研究原型，尚未准备就绪可用于部署。主要局限性包括：
- 负载能力：软体连续臂通常负载能力低于刚性机器人。论文未指定负载极限，但全身抓取比尖端抓取能更好地分布力，可能部分弥补这一弱点。
- 控制精度：开环控制无法保证可重复定位。需要闭环传感（例如嵌入式形状传感器或视觉）才能完成需要精度的任务。
- 规模：85厘米的臂长适合桌面工作，但扩展到更大尺寸（例如2米）需要显著的材料和驱动重新设计。
- 耐久性：3D打印柔性结构可能会随时间磨损，尤其是在肌腱附着点。尚未进行长期疲劳测试。
未解问题包括：能否优化镶嵌结构以在不牺牲顺应性的情况下提高刚度？以及如何将触觉反馈集成到连续体中？
常见问题
ELEANOR是什么？ ELEANOR是一款85厘米长的软体机械臂，灵感来自大象鼻子，通过3D打印制成单一连续结构，并由肌腱驱动。
ELEANOR如何抓取物体？ 它使用全身缠绕：整个臂部弯曲包裹物体，贴合其形状并将轻柔的力分布在大面积上。
为什么连续设计优于分段设计？ 连续结构避免了夹点和机械关节，提供更平滑的运动、更好的顺应性以及更简单的制造，且故障模式更少。
这款臂能用于制造业吗？ 可能可以，特别是用于处理易碎或不规则形状的零件。但目前缺乏高速可重复任务所需的精度和负载能力。
结论
ELEANOR表明，仿生整体式软体臂可以在无需复杂控制算法的情况下实现类似大象的抓取。通过专注于结构连续性和宏观解剖结构，研究人员构建了一个既简单又有效的机械臂。真正的突破可能在于证明“更少的工程”——更少的关节、更少的传感器——有时可以产生更强大、更适应性强的机器人。
您会信任软体连续臂如ELEANOR执行哪些实际任务，而非传统刚性机器人？