近日，我校自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室賴(lài)旭芝教授團(tuán)隊(duì)在《Nature》子刊《Nature Communications》上發(fā)表重要研究成果：Humanoid finger with rigid-flexible-soft structure，我校自動(dòng)化學(xué)院為第一完成單位。該研究設(shè)計(jì)了一款剛-柔-軟結(jié)構(gòu)仿人手指，融合了多種材料的優(yōu)勢(shì)，兼具穩(wěn)定性與安全性，同時(shí)保持了結(jié)構(gòu)的緊湊性與簡(jiǎn)潔性。
如今，設(shè)計(jì)一種兼具剛性手指的高承載能力與柔性手指的靈活性和安全性，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適用范圍廣，尤其適用于超薄或超脆物體的仿生手指，仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本研究受人類(lèi)手指剛?cè)岵?jì)結(jié)構(gòu)（圖1a）的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一款剛-柔-軟結(jié)構(gòu)仿人手指（圖1b）。
所設(shè)計(jì)的仿人手指由剛性管狀骨骼、柔性關(guān)節(jié)彈簧、氣動(dòng)薄膜驅(qū)動(dòng)器和軟體硅膠皮膚組成（圖1c），剛性管狀骨骼與柔性關(guān)節(jié)彈簧的結(jié)合確保了該仿人手指的剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和輕便。同時(shí)，它賦予仿人手指出色的抗非自然變形能力。在此基礎(chǔ)上，緊密包裹在剛性管狀骨骼上的氣動(dòng)膜驅(qū)動(dòng)器使仿人手指具有類(lèi)似人手的柔順輸出力，且不占用額外空間。覆蓋在外層的軟硅膠皮膚進(jìn)一步增強(qiáng)了仿人手指的耐用性、平滑度和安全性。
圖1 仿照人類(lèi)手指的剛-柔-軟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝有該仿人手指的抓持器在廣泛的質(zhì)量、硬度、尺寸和形狀范圍內(nèi)具有卓越的抓取能力。圖2a至2d展示了雙指抓持器逐步抓取越來(lái)越重的物體，從輕柔地抓取12.1克的小番茄開(kāi)始，最終成功抓取了重達(dá)1125.2克的3D 打印耗材。同樣，圖2e至2h表明三指抓持器不僅能輕柔地抓取14.7克的生雞蛋黃而不損壞，還能牢牢地握住1254.5克的卷心菜。此外，圖2i至 2l展示了雙指抓持器從抓取0.01厘米厚的A4紙到抓取25.0厘米長(zhǎng)的3D打印棒的過(guò)程，而圖2m至2p則展示了三指抓持器抓取從0.6厘米直徑的鉛筆到24.3厘米大的柔軟且易破的氣球等不同物體的能力。
圖2 裝有仿人手指的抓持器抓取不同重量、硬度、形狀和大小的物體
在體現(xiàn)精細(xì)操作能力的實(shí)驗(yàn)中，使用裝有該仿人手指的抓持器的雙指抓持器對(duì)一塊質(zhì)地柔軟、極易破損的豆腐進(jìn)行了反復(fù)抓取測(cè)試（圖3）。實(shí)驗(yàn)中，抓持器輕柔而穩(wěn)定地將豆腐從平臺(tái)上拾起，后又準(zhǔn)確放回，連續(xù)重復(fù)20次均未造成任何破損或碎裂。通過(guò)表面觀(guān)察和稱(chēng)重分析發(fā)現(xiàn)，抓取前后豆腐幾乎無(wú)質(zhì)量損失（僅減少0.06克，不足其初始質(zhì)量的1.5‰），表面也未留下明顯壓痕。這一結(jié)果充分驗(yàn)證了該仿人手指在操控超軟、易碎物體時(shí)卓越的順應(yīng)性與穩(wěn)定性，展現(xiàn)了其接近人類(lèi)手指般的細(xì)膩操控能力，為機(jī)器人在食品處理、醫(yī)療護(hù)理等高敏場(chǎng)景中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。
圖3 裝有仿人手指的抓持器連續(xù)抓取豆腐（GIF圖片經(jīng)過(guò)加速）
在體現(xiàn)高適應(yīng)性精細(xì)操作能力的實(shí)驗(yàn)中，使用裝有該仿人手指的抓持器的雙指抓持器對(duì)一片易碎的薯片進(jìn)行了多角度抓取測(cè)試（圖4）。實(shí)驗(yàn)中，抓持器從水平、傾斜到垂直等多種姿態(tài)下對(duì)靜置于平臺(tái)上的薯片實(shí)施抓取。盡管薯片質(zhì)地薄脆、極易斷裂，機(jī)械手指仍能通過(guò)自適應(yīng)變形有效貼合薯片曲面，并施加柔順的夾持力，成功實(shí)現(xiàn)多次無(wú)損抓取與放置。整個(gè)過(guò)程中薯片完整無(wú)裂紋，未發(fā)生破碎或掉落。該實(shí)驗(yàn)充分展示了所設(shè)計(jì)的仿人手指在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中對(duì)超脆性物體的高順應(yīng)性柔順抓取能力，凸顯了其在精細(xì)操作領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用潛力。
圖4 裝有仿人手指的抓持器從多角度抓取薯片（GIF圖片經(jīng)過(guò)加速）
在真實(shí)生物操作場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)中，使用裝有該仿人手指的抓持器的三指抓持器抓取并安全轉(zhuǎn)移了一只活體青蛙（圖5）。實(shí)驗(yàn)中，三指抓持器輕柔地從水中接近一只體長(zhǎng)約5厘米的金線(xiàn)蛙，精準(zhǔn)閉合指尖，穩(wěn)穩(wěn)將其托起，平穩(wěn)移動(dòng)至另一水箱后緩緩松開(kāi)，整個(gè)過(guò)程流暢自然，未對(duì)青蛙造成任何傷害，使其安全回歸水中。這一實(shí)驗(yàn)不僅充分展現(xiàn)了該仿人手指卓越的安全性，避免對(duì)脆弱生物造成損傷；更關(guān)鍵的是，得益于仿人手指的無(wú)電化設(shè)計(jì)，其在與水接觸的操作中充分展現(xiàn)了出色的防水性能。
圖5 裝有仿人手指的抓持器轉(zhuǎn)移活體青蛙
剛-柔-軟結(jié)構(gòu)仿人手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉，能夠在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)多種物體穩(wěn)定、安全且靈巧的抓取，不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的適應(yīng)性與可靠性，有望成為人類(lèi)手指的有效替代方案，也為醫(yī)療康復(fù)、智能服務(wù)、智慧農(nóng)業(yè)等需應(yīng)對(duì)多樣化、復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了新的可能。
圖6 裝有剛-柔-軟結(jié)構(gòu)手指的仿人機(jī)械手及其負(fù)重能力
該研究由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院“智能機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”研究團(tuán)隊(duì)完成（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人：賴(lài)旭芝教授；團(tuán)隊(duì)成員：王亞午教授，孟慶鑫教授，吳俊東教授，張盼副教授，閆澤副教授）。近年來(lái)，由賴(lài)旭芝教授領(lǐng)銜的“智能機(jī)器人系統(tǒng)”研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了一系列先進(jìn)智能機(jī)器人設(shè)計(jì)、建模與控制方法的研究，實(shí)驗(yàn)室研究范圍涵蓋氣動(dòng)機(jī)器人，介電彈性體機(jī)器人，磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，液態(tài)金屬機(jī)器人等諸多科研項(xiàng)目。（通訊員：呂播陽(yáng) 孟慶鑫）
圖7 我校自動(dòng)化學(xué)院“智能機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”研究團(tuán)隊(duì)
第一排左六為賴(lài)旭芝教授，第二排左一為王亞午教授，第三排左一為孟慶鑫教授
第一排左二為吳俊東教授，第一排右一為張盼副教授，第一排左五為閆澤副教授
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65367-x
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