由氣壓驅(qū)動(dòng)并受大自然啟發(fā)的靈活觸手式機(jī)械手，旨在抓握和操縱各種柔軟的物體。圖片來源：王東

如果傳統(tǒng)機(jī)器人的機(jī)械手不像象鼻、章魚的觸手或人的手指那樣靈活，那么它們在抓握和操縱軟物體時(shí)可能會(huì)遇到困難。

在《應(yīng)用物理評(píng)論》中，中國上海交通大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種受這些生物系統(tǒng)啟發(fā)的多節(jié)段軟機(jī)械手。軟機(jī)械手基于氣動(dòng)網(wǎng)，這是氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的彈性結(jié)構(gòu)。

這些結(jié)構(gòu)呈觸手狀，由一系列相互連接的內(nèi)部腔室組成，這些腔室可以通過氣動(dòng)充氣，像氣球一樣吹起來。觸手的一側(cè)非常靈活，而另一側(cè)則更硬。增加腔室的氣壓會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向堅(jiān)硬的一側(cè)彎曲。

“我們使用可以遵循特定3D空間軌跡的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了軟機(jī)械手，”作者DongWang說。“我們的軟機(jī)械手由多個(gè)部分組成，其中每個(gè)部分通過選擇不同的腔室方向，顯示出不同的驅(qū)動(dòng)模式——扭曲、平面內(nèi)彎曲或螺旋驅(qū)動(dòng)。

“這項(xiàng)工作的關(guān)鍵進(jìn)步是開發(fā)了一種數(shù)學(xué)方法，可以在單次加壓時(shí)自動(dòng)設(shè)計(jì)匹配復(fù)雜3D軌跡的軟機(jī)械手。”

該小組通過改變氣動(dòng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的幾何、材料和加載參數(shù)，為各種3D軌跡設(shè)計(jì)了操縱器。他們能夠進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)以創(chuàng)建一個(gè)遵循特定軌跡的操縱器。

該設(shè)計(jì)方法依賴于比傳統(tǒng)計(jì)算模型使用成本低得多的數(shù)學(xué)模型。該小組證實(shí)他們的數(shù)學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了行為類似于計(jì)算模型的操縱器設(shè)計(jì)。他們使用簡單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了他們的結(jié)果。

“要實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的軟機(jī)械手的真正多功能應(yīng)用，還需要做更多的工作，”作者顧國英說。

未來的工作包括將方法擴(kuò)展到具有多個(gè)執(zhí)行器的系統(tǒng)的策略。此外，逆向設(shè)計(jì)過程仍然不是全自動(dòng)的，因?yàn)樵撨^程的第一階段需要人工操作員選擇分配給扭曲、彎曲或螺旋變形的曲線區(qū)域。

“我們可以設(shè)想一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)或其他方法來完成這一步，”顧說。

這項(xiàng)工作應(yīng)該應(yīng)用于機(jī)器人抓手、可植入和可穿戴設(shè)備以及在不可預(yù)測的地形中移動(dòng)的機(jī)器人。

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