梁希同主要研究头足类动物（包括乌贼和章鱼）的行为、智能与仿生，关注动物行为多样性的神经和演化机制，并致力于人工智能技术在行为学研究中的运用和脑启发人工智能研究，代表性成果发表在Nature、Science、Neuron、PNAS、Current Biology等期刊。

他在担任博古睿学者期间的工作将致力于探索“智能的另类路径——章鱼自我意识研究”。头足类动物（如乌贼和章鱼）被认为是地球上最接近外星智慧的生物，具有复杂且独立演化的脑与智能。章鱼的独特性为人类的自我理解提供了一个“他者”视角。