盡管機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)重塑甚至重新定義了許多工業(yè)領(lǐng)域，但在諸如健康和養(yǎng)老等領(lǐng)域，機(jī)器與人類之間仍然存在差距。為了使機(jī)器人能夠安全地操縱易碎物體和活生物體或與之互動，需要一種新的策略來增強(qiáng)其感知力，同時使它們的部件更柔軟。實際上，構(gòu)建具有人類功能的安全靈巧的機(jī)器人抓手是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)中最重要的目標(biāo)之一。

設(shè)計軟機(jī)器人抓爪的主要挑戰(zhàn)之一是將傳統(tǒng)傳感器集成到機(jī)器人的手指上。理想情況下，軟抓手應(yīng)該具有所謂的本體感覺(即自身的動作和位置感)，以便能夠安全地執(zhí)行各種任務(wù)。然而，傳統(tǒng)的傳感器是剛性的，并且損害了軟部件的機(jī)械特性。而且，現(xiàn)有的軟爪通常被設(shè)計成具有單一類型的本體感受。壓力或手指彎曲度。

為了克服這些局限性，日本立命館大學(xué)的科學(xué)家一直在謝孟英副教授的帶領(lǐng)下研究新穎的軟爪設(shè)計。在發(fā)表于《納米能源》上的最新研究中，他們成功地使用了多種材料的3D打印技術(shù)來制造帶有內(nèi)置本體感覺傳感器的柔軟的機(jī)器人手指。他們的設(shè)計策略具有眾多優(yōu)勢，代表了向更安全，功能更強(qiáng)大的軟機(jī)器人邁出的一大步。

軟手指具有增強(qiáng)的充氣腔，使其可以根據(jù)輸入氣壓以高度可控的方式彎曲。另外，手指的剛度還可以通過在單獨的腔室中產(chǎn)生真空來調(diào)節(jié)。這是通過一種稱為“真空阻塞”的機(jī)制來實現(xiàn)的，通過該機(jī)制，可彎曲材料的多個堆疊層可以通過抽吸它們之間的空氣而變得剛性。結(jié)合這兩個功能，三指機(jī)器人抓爪可以通過確保施加必要的力來正確抓握并保持對任何物體的抓握。

然而，最值得注意的是，在真空阻塞層之中包括單個壓電層作為傳感器。當(dāng)材料處于壓力下時，壓電效應(yīng)會產(chǎn)生電壓差?？茖W(xué)家利用這種現(xiàn)象作為機(jī)械手指的感應(yīng)機(jī)制，提供了一種簡單的方式來感知其彎曲度和初始剛度(在進(jìn)行真空調(diào)節(jié)之前)。他們通過在干擾層中包括微結(jié)構(gòu)層來改善手指在壓電材料上的壓力分布，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了手指的靈敏度。

使用多種材料的3D打印(一種簡單，快速的原型制作過程)使研究人員可以輕松地將感應(yīng)和剛度調(diào)整機(jī)制集成到機(jī)械手手指的設(shè)計中。謝教授說：“我們的工作提出了一種設(shè)計傳感器的方法，該傳感器不僅可以作為機(jī)器人應(yīng)用的傳感元件，而且還可以作為有效的功能材料來提供對整個系統(tǒng)的更好控制，而不會影響其動態(tài)行為。” 他們設(shè)計的另一個顯著特點是傳感器通過壓電效應(yīng)自供電，這意味著它不需要能量供應(yīng)，這對于低功率應(yīng)用是必不可少的。

總體而言，這項激動人心的新研究將幫助未來的研究人員找到新的方法來改善軟抓手與被操縱物體的相互作用和感知方式。反過來，這將極大地擴(kuò)展機(jī)器人的用途，正如謝教授指出的那樣：“自供電的內(nèi)置傳感器不僅將使機(jī)器人能夠與人類及其周圍環(huán)境安全地交互，而且還消除了目前依賴機(jī)器人的應(yīng)用程序的障礙。在電動傳感器上監(jiān)視狀況。”

讓我們希望這項技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，以便我們的機(jī)械朋友可以很快加入我們的人類活動。