「蛇形」軟爪僅8.2g,能舉起超自重220倍的物體!一年半內有望投入商用

智東西11月11日消息，新南威爾斯大學的研究團隊發明了一種新型纏繞式機械軟體抓手，它不僅具有一般FEA驅動軟爪的優勢，整體輕薄、扁平，同時還克服了傳統模型載荷小的技術難題。據稱，這款發明有望在一年至一年半內投入商用。

這款纏繞式軟抓自重僅8.2g，不僅能夠拾取易碎物品，還能抓取最重為1.8kg（自重的220倍）的重物，而且尤其擅長從細長的管道、溝槽中取物。

此外，它的觸覺敏感度達到了常規模型的15倍，還具有實時觸覺傳感能力。

因其在狹小封閉空間的出色表現，這款抓手在工業易碎物品抓取、狹窄空間探測、油氣開發、野外勘探、抗險救災、醫療輔助、下水道建設等方面有著相當廣泛的應用前景。

▲機械軟爪原型機的抓取能力試驗。A-L展示了原型機通過纏繞的方式抓取物體的表現。A：滴灌器；B：馬克筆；C：圓柱形電鑽頭收納盒；D：塑料三腳架；E：螺絲刀；F：超級膠水瓶；G：鋸子；H：錘子；I：檸檬草；J：黃瓜；K：葡萄；L：540mm長試管。M、N、O展示了原型機在封閉空間內抓取馬克筆、螺絲刀和金屬板手的表現。P、Q、R展示了原型機勾取物體的表現。

一、大幅提升現有軟爪載荷和適應性

近年，隨著材料科學、化學和工學等學科研究的不斷精進和突破，機器人研究領域衍生出了一個新的門類——軟體機器人。

相較於傳統剛性機器人，軟體機器人可以靈活適應周圍環境，貼合複雜平面，在保持柔軟結構的同時施力、運動、改變物體形狀，滿足高精確性工作的需求。

其中，一種名為末梢執行器、又稱「軟爪」的軟體機器人被廣泛用於人機互動、醫療保健、觸覺感知等，成為了相關研究的焦點之一。

11月，來自新南威爾斯大學（University of New South Wales, UNSW）的一支研究團隊在《先進材料技術（Advanced Material Technologies）》上發表一篇名為《具剛性調節能力和觸覺傳感功能的仿生高貼合纏繞式柔性材料抓手（Bio-Inspired Conformable and Helical Soft Fabric Gripper with Variable Stiffness and Touch Sensing）》的論文，文中詳細說明了該團隊的研究成果——新型纏繞式軟爪，針對性地解決了軟爪存在的通病。

▲《具剛性調節能力和觸覺傳感功能的仿生高貼合纏繞式柔性材料抓手（Bio-Inspired Conformable and Helical Soft Fabric Gripper with Variable Stiffness and Touch Sensing）》一文發布情況

FEA流體致動器是目前軟體機器人研發中應用最為廣泛、歷史最為悠久的一項驅動技術，基於該技術製成的軟爪具有易於製作、成本低、輕巧耐用、衝程大、高能重比的優點。

因此，UNSW研究團隊也在發明中應用了這項技術。

然而，基於FEA驅動的軟爪常採用類爪或類手結構。由於接觸面積不夠，這類軟爪無法抓握超長、超大、超小、空心球形等特殊尺寸的物品，也無法拾取重物。此外，受形狀限制，它也無法在狹小封閉空間內作業。

而且，使用FEA驅動的軟爪都有一個通病，那便是載荷較小。

為了解決這一問題，UNSW團隊從蟒蛇、象鼻等生物結構中汲取了靈感。

「大象、蟒蛇、章魚等動物在狩獵或者取食時，會使用柔軟的身體部位緊緊地纏住對象，同時不斷增大接觸面積和穩定性，它們的身體構造在探索、抓取、操縱上有著得天獨厚的優勢。」研究員Dr. Thanh Nho Do講到這項發明的靈感來源。

▲新型纏繞式軟爪的發明從動物的生理結構汲取靈感

但僅僅使用纏繞式結構還不足以解決載荷小的問題，UNSW團隊又引入了由熱塑性材料製成的VSS變剛度結構，賦予軟爪更強的靈敏度和可塑性。

在設定溫度下，僅需短短24秒，軟爪便能完成由軟到硬、由硬變軟的完整調節過程，創下已知調速之最。

實驗中，這款「蛇形」軟爪原形展現出了驚人的抓握力，重8.2g、長13cm的原形機不僅能夠提起超自重200倍的工具盒，還能夠纏握住直徑達30mm的膠捲。

二、非凡的觸覺敏感性

除了載荷小和適應性差的問題，由於欠缺較好的剛性調節和觸覺反饋功能，傳統軟爪在力度控制方面表現平平，無法用於抓握脆弱物體。

引入VSS技術解決了剛性調節問題後，為了提升觸覺傳感能力，UNSW研究團隊將目光投向了傳感器技術研究，尤其是EGaIn等新型液體合金材料的應用。

目前，製備液態金屬軟傳感器主要用到的是微通道（microchannel）結構，方法主要是將液態金屬直接注入彈性體內部的微通道中。相較於微管(microtubule)，這種方法並不能有效發揮材料的優勢，而且工藝複雜、費時費力。

這是因為在和微通道排列模式相同的前提下，微管周圍的彈性體材料相對較少，在外界力的作用下，能產生較大形變，因此敏感度大於微通道。

因此，UNSW研究團隊創造性地將液態金屬注入微管中，大幅提升了軟爪的延展性和觸覺靈敏度。

同時，UNSW團隊還為軟爪配備了觸覺反饋裝置，從而更好地掌握力度大小。

目前，Dr. Do已經為這項發明申請了臨時專利，同時尋找合作夥伴，希望能在未來一年至一年半內將之投入商用。

他還談到了這項發明的後續發展：「我們現在想繼續優化合成材料，開發閉環控制算法，同時爭取將軟爪和機械臂相結合，最終做到自主取物。」

Dr. Do對這項技術的前景十分樂觀：「一旦成功，未來在抓取大體積重物的時候，就不需要人類操作了，我們還想將軟爪和近期推出的觸覺手套連接起來，讓用戶能遠程體驗抓手工作，同時感受物體形狀。」

結語：一個值得期待的研究領域

軟體機器人這一年輕的技術方向，在近年來取得了長足的進步。

軟體機器人的發展經歷了由部分軟體到全軟體、由有拖纜到無拖纜的轉變，從人工操作逐漸向自主運行過渡。

但是，作為一門新興技術，軟體機器人技術發展在動力輸出、實際運用等方面還有著許多問題等待著研究者深入探討。

UNSW研究團隊的可喜成果，對於技術研究的整體發展發揮了啟示和鼓舞作用。在材料選擇、模型構築、實際運用方面給出了一些解法和思路。

在不遠的將來，我們可以期待這項成果正式投入商用，廣泛應用於勘探、救援、醫療輔助等領域。