本周三，斯坦福大學(xué)工程師的一項(xiàng)新成果發(fā)布于國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》的子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》上。研究人員受壁虎腳趾抓地啟發(fā)，開發(fā)了一種兼具靈巧和穩(wěn)健抓握能力的機(jī)械手“farmHand”，它可以平穩(wěn)抓握雞蛋、葡萄、籃球等物體。

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與很多我們常見的機(jī)械手不同，這一機(jī)械手的多指關(guān)節(jié)像人手一樣，可以更大范圍地展開和收合，如下圖所示，能以一種類似“采摘”的方式抓取雞蛋、籃球甚至比自己體積更大的物體。

▲抓取雞蛋

有的機(jī)械手可以靈巧地抓握雞蛋，有的能平穩(wěn)地抓起籃球，但與人手不同的是，很少有機(jī)械手同時(shí)具備這兩類技能。

斯坦福大學(xué)仿生學(xué)和靈巧操作實(shí)驗(yàn)室的前研究生、21歲的威爾遜·羅托洛（Wilson Ruotolo）說：“你會(huì)看到機(jī)械手進(jìn)行強(qiáng)力抓握和精確抓握，然后暗示它們可以做任何事情。我們想要解決的是如何創(chuàng)造既靈巧又強(qiáng)大的機(jī)械手。”

斯坦福大學(xué)仿生學(xué)和靈巧操作實(shí)驗(yàn)室的研究生羅托洛和戴恩·布勞爾（Dane Brouwer）關(guān)于機(jī)械手的論文于12月15日發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》雜志中。

鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi9773

一、初衷為助農(nóng)，采水果、握籃球不在話下

研究人員將基于壁虎腳趾抓地原理制造的粘合劑與定制的機(jī)械手相結(jié)合，旨在創(chuàng)造一種能夠以微妙的力量抓握的機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)和人手類似的大范圍展開、收合。

研究人員設(shè)計(jì)初衷是作為機(jī)器人農(nóng)業(yè)輔助工具，利用機(jī)械手輕柔地操作水果。作為一款能高效使用干式粘合技術(shù)的通用機(jī)械手，保持了從紙箱里摘雞蛋和從葡萄藤上摘葡萄的輕柔靈巧。

▲抓取葡萄

它可以把“手掌”張開得大大的，操縱較大型的物體，例如籃球、罐型飲料等。

▲抓取籃球

這款機(jī)械手還可以用強(qiáng)力操控比自身大許多倍的重物。

▲操控較大物體

此外，這一機(jī)械手還可以同時(shí)抓取兩個(gè)物體。

▲同時(shí)抓取兩個(gè)物體

“壁虎粘合劑的首次應(yīng)用與攀爬機(jī)器人、攀爬人或抓取空間中非常大、非常光滑的物體有關(guān)。但是我們一直在考慮將它們用于更實(shí)際的應(yīng)用程序。”Cutkosky說，“但事實(shí)證明，壁虎粘合劑實(shí)際上非常挑剔。”

首次在多指擬人機(jī)械手上使用壁虎粘合劑是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這需要特別注意控制機(jī)械手手指的肌腱和粘合劑下方的指墊設(shè)計(jì)。

二、利用分子間作用力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固抓握

平行機(jī)械手相對(duì)于更擬人化的多指機(jī)械手的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有高抓力的潛力，因此可以使用單個(gè)精確手指來獲得力量，而多指機(jī)械手farmHand利用壁虎粘合劑提供了更多的抓握能力。

該機(jī)械手受益于兩種生物靈感。首先是人手，它有多關(guān)節(jié)的手指，不過僅有四個(gè)手指，其次是壁虎，基于壁虎腳趾抓地的靈感，在該論文的作者之一、斯坦福大學(xué)工程學(xué)院弗萊徹瓊斯教授馬克·卡特科斯基（Mark Cutkosky）領(lǐng)導(dǎo)下，研究小組研制了抓地力強(qiáng)但不粘的壁虎粘合劑，涂在這一機(jī)械手的手指上。

▲機(jī)械手原理圖

就像壁虎的腳趾一樣，涂抹壁虎粘合劑的機(jī)械手可以通過微小的皮瓣固定在物體上。當(dāng)與表面完全接觸時(shí)，這些皮瓣會(huì)產(chǎn)生范德華力（分子間相互作用力），由分子外部電子位置的細(xì)微差異引起。因此，粘合劑僅需要很小的力量就可以牢固抓握物體。這種粘合劑的另一個(gè)好處就是，它們摸起來不會(huì)發(fā)粘或留下殘留物。

機(jī)械手涂抹壁虎粘合劑后，抓取物體需要依靠手指的正面而不是尖端，這樣可以提供更多可用的接觸區(qū)域。為了探索權(quán)衡，研究人員通過消除最終鏈接長(zhǎng)度固定的約束，來增大機(jī)械手制動(dòng)器的扭矩。

三、增加肋骨結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大抓握面積

問題的關(guān)鍵在于，壁虎粘合劑必須以特定方式與物體表面接觸，以激活范德華力。當(dāng)將壁虎粘合劑涂抹在較為平坦的表面上時(shí)，可以比較容易地控制與物體接觸的方式。但是當(dāng)必須依賴于多個(gè)附有壁虎粘合劑的手指抓握物體，并以不同角度接觸物體時(shí)，也就是使用farmHand抓握時(shí)，對(duì)于壁虎粘合劑的控制就更加困難。

為了解決這一難題，研究人員在粘合劑下方，為該機(jī)械手增加了一層指墊。這層紙墊由可折疊的像肋骨一樣的結(jié)構(gòu)制成，只需很小的力即可彎曲。無論接觸的位置或角度如何，肋條都呈彎曲狀態(tài)，以確保粘合墊上的力相等，并防止產(chǎn)生任何一個(gè)過早滑動(dòng)導(dǎo)致物體掉落。

▲機(jī)械手的指墊設(shè)計(jì)

“如果你移動(dòng)這些肋骨，無論你從哪里開始，肋條都會(huì)產(chǎn)生類似的力。”布勞威爾說，“這是一種簡(jiǎn)單的物理行為，甚至可以部署在機(jī)器人技術(shù)之外的空間中，例如鞋面或全地形輪胎。”

人手的肌腱很重要，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的展開和收合。不過很多機(jī)械手和夾子被設(shè)計(jì)成“C”形，就像只用指尖撿起東西一樣，但這一機(jī)械手基于人手的肌腱原理，實(shí)現(xiàn)了更大的抓握面積，在手指末端安裝了墊子，這也為壁虎粘合劑提供了更多的表面積。

設(shè)計(jì)靈活又功能強(qiáng)大的機(jī)械手的的另一個(gè)問題在于，現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)模擬很難預(yù)測(cè)軟物體的真實(shí)性能，因此使設(shè)計(jì)恰到好處尤其困難。但是研究人員在3D打印和測(cè)試許多硬塑料和軟塑料組件過程中受益匪淺，這也加快了他們的研究進(jìn)程。他們甚至說：“如果在五年前，這項(xiàng)研究不太可能成功實(shí)現(xiàn)，或者至少要慢得多。”

對(duì)該機(jī)械手的進(jìn)一步改進(jìn)可能會(huì)以反饋功能的形式出現(xiàn)，這將幫助用戶了解它的抓握方式以及在使用機(jī)械手時(shí)如何更好地抓握。

結(jié)語(yǔ)：兼具靈活與穩(wěn)健，促進(jìn)商業(yè)化落地

多指機(jī)械手相比于平行機(jī)械手更加靈活，但想要在實(shí)際生活中采用，還需要具備平行機(jī)械手的穩(wěn)健功能。而斯坦福的研究人員將機(jī)械手的靈活性和剛度相結(jié)合，既可以抓取雞蛋、西瓜等，也可以抓握比自己大的物體。

其次，初代機(jī)械手farmHand原型是低成本的，這也為其升級(jí)提供了條件。研究人員表示，在未來更高性能的電機(jī)扭矩將實(shí)現(xiàn)更高的肌腱張力，以及采用更硬的肋骨也能提高機(jī)械手的整體穩(wěn)定性。研究人員還在考慮將這一機(jī)械手進(jìn)一步商業(yè)化。