受大自然启发的灵活触手式机器人操纵器

由气压驱动并受大自然启发的灵活触手式机械手，旨在抓握和操纵各种柔软的物体。图片来源：王东

如果传统机器人的机械手不像象鼻、章鱼的触手或人的手指那样灵活，那么它们在抓握和操纵软物体时可能会遇到困难。

在《应用物理评论》中，中国上海交通大学的研究人员开发了一种受这些生物系统启发的多节段软机械手。软机械手基于气动网，这是气动驱动的弹性结构。

这些结构呈触手状，由一系列相互连接的内部腔室组成，这些腔室可以通过气动充气，像气球一样吹起来。触手的一侧非常灵活，而另一侧则更硬。增加腔室的气压会导致结构向坚硬的一侧弯曲。

“我们使用可以遵循特定3D空间轨迹的数学模型设计了软机械手，”作者DongWang说。“我们的软机械手由多个部分组成，其中每个部分通过选择不同的腔室方向，显示出不同的驱动模式——扭曲、平面内弯曲或螺旋驱动。

“这项工作的关键进步是开发了一种数学方法，可以在单次加压时自动设计匹配复杂3D轨迹的软机械手。”

该小组通过改变气动网结构的几何、材料和加载参数，为各种3D轨迹设计了操纵器。他们能够进行逆向设计以创建一个遵循特定轨迹的操纵器。

该设计方法依赖于比传统计算模型使用成本低得多的数学模型。该小组证实他们的数学技术产生了行为类似于计算模型的操纵器设计。他们使用简单的实验验证了他们的结果。

“要实现所设计的软机械手的真正多功能应用，还需要做更多的工作，”作者顾国英说。

未来的工作包括将方法扩展到具有多个执行器的系统的策略。此外，逆向设计过程仍然不是全自动的，因为该过程的第一阶段需要人工操作员选择分配给扭曲、弯曲或螺旋变形的曲线区域。

“我们可以设想一个自动化系统使用机器学习或其他方法来完成这一步，”顾说。

这项工作应该应用于机器人抓手、可植入和可穿戴设备以及在不可预测的地形中移动的机器人。

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