受大自然啟發(fā)的機械手

華盛頓，2021 年 12 月 21 日——如果傳統(tǒng)機器人的機械手不像象鼻、章魚觸手或人類手指那樣靈活，那么它們可能難以抓住和操縱柔軟的物體。

在 AIP Publishing 的 Applied Physics Reviews 中，中國上海交通大學的研究人員開發(fā)了一種受這些生物系統(tǒng)啟發(fā)的多段軟機械手。軟機械手基于氣動網(wǎng)，這是氣動驅(qū)動的彈性結構。

這些結構呈觸手狀，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充氣，像氣球一樣吹起來。觸手的一側非常靈活，而另一側則更硬。增加腔室的氣壓會導致結構向堅硬的一側彎曲。

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

“這項工作的關鍵進步是開發(fā)了一種數(shù)學方法，可以在單次加壓時自動設計匹配復雜 3D 軌跡的軟機械手。”

該小組通過改變氣動網(wǎng)結構的幾何、材料和加載參數(shù)，為各種 3D 軌跡設計了操縱器。他們能夠進行逆向設計以創(chuàng)建一個遵循特定軌跡的操縱器。

該設計方法依賴于比傳統(tǒng)計算模型使用成本低得多的數(shù)學模型。該小組證實他們的數(shù)學技術產(chǎn)生了行為類似于計算模型的操縱器設計。他們使用簡單的實驗驗證了他們的結果。

“要實現(xiàn)所設計的軟機械手的真正多功能應用，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展到具有多個執(zhí)行器的系統(tǒng)的策略。此外，逆向設計過程仍然不是全自動的，因為該過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。

“我們可以設想一個自動化系統(tǒng)使用機器學習或其他方法來完成這一步，”顧說。

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