長期的水下任務(wù)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的減壓病 (DCI)。2011 年美國勞工統(tǒng)計(jì)局記錄，潛水員的平均職業(yè)死亡率是全國平均職業(yè)死亡率的 38 倍。水下捕撈是潛水員的典型任務(wù)之一。使用水下機(jī)器人加抓取手代替潛水員可以有效減少對(duì)潛水員的健康傷害，提高水下作業(yè)的效率。然而，開發(fā)具有自適應(yīng)抓取和感應(yīng)能力的機(jī)器人抓取手始終具有挑戰(zhàn)性。
近日，北京大學(xué)謝廣明教授課題組在國際期刊Advanced Science上發(fā)表了題為“Glowing Sucker Octopus (Stauroteuthis syrtensis)-Inspired Soft Robotic Gripper for Underwater Self-Adaptive Grasping and Sensing”的研究論文，介紹了一種靈感來自于發(fā)光章魚 (Stauroteuthis syrtensis) 的軟體抓取手，可以實(shí)現(xiàn)水下的自適應(yīng)抓取和感應(yīng)。
大多數(shù)章魚只有柔性手臂，表面分布有粘性吸盤。不同的是發(fā)光章魚的背膜覆蓋了它的大部分臂長，形成獨(dú)特的傘形，這樣的特點(diǎn)可以通過防止動(dòng)物從手臂間隙逃逸并增加抓取摩擦力來有效提高大物體和活體動(dòng)物的抓取可靠性。在這項(xiàng)研究中，受發(fā)光章魚捕食行為的啟發(fā)，并借助 3D 打印和模塊化澆注技術(shù)開發(fā)了一種新型軟體抓取手，其幾何結(jié)構(gòu)和抓取能力與發(fā)光章魚相似。
圖1. (A) 發(fā)光吸盤章魚的形態(tài)結(jié)構(gòu)。吸嘴陣列分布在軟臂上，背膜連接軟臂形成傘狀。(B) 仿生抓取手CAD模型。吸盤可以在管狀波紋管的驅(qū)動(dòng)下打開和關(guān)閉。(C) 吸盤CAD模型。具有漏斗形末端的吸嘴陣列分布在吸盤上。(D)吸盤內(nèi)部通道示意圖。
圖2. 吸盤的制造及有限元仿真分析。(A) 模塊化模具的CAD模型。(B) 模具組裝示意圖。(C) 吸盤仿生原型照片。(D) 吸盤的柔性。(E) 吸盤閉合的有限元分析模擬。
該抓取手可以利用吸嘴被覆蓋時(shí)發(fā)生的流量變化而產(chǎn)生觸覺感知能力，分辨出各種物體的尺寸。因此，在渾濁的水下環(huán)境中，當(dāng)機(jī)器視覺失效時(shí)，該抓取手的觸覺可以發(fā)揮重要作用。
圖3。水下渾濁環(huán)境下吸盤的傳感功能。(A)吸盤的工作環(huán)境。(B)當(dāng)吸盤接觸不同直徑的圓盤時(shí)，流量發(fā)生變化。(C)實(shí)物傳感測試。根據(jù)流量來區(qū)分對(duì)象的類型。
該抓取手具有出色的吸力和抓取能力，可以產(chǎn)生單獨(dú)吸力抓取，單獨(dú)吸盤閉合抓取及吸力和吸盤閉合共同作用抓取的三種抓取模式。實(shí)驗(yàn)展示了該抓取手可以抓取多種形狀（平面或非平面）和尺寸的物體、散落的多個(gè)物體、活體（烏龜和金魚）、超重物體和超出抓取范圍的物體等。
圖4. 抓取手在空氣中對(duì)不同形狀物體進(jìn)行抓取。(A) 軟體抓取手的裝配。吸盤的開啟與閉合通過管狀波紋管的伸縮來控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取。(B )吸力模式下抓取物體。 (C) 抓取不規(guī)則小物體。該抓取手可以同時(shí)抓取多個(gè)物體。(D) 抓取大型不規(guī)則物體。該抓取手可以從邊緣抓住較大的物體。
圖5. 軟體抓取手動(dòng)物抓取實(shí)驗(yàn)。(A-B) 吸力抓取背部有很高的粗糙度的一只活海龜。(C) 傘狀吸盤和吸嘴可以控制小魚被捉后不逃跑。(D)使用吸力來控制然后抓取海龜。
此外，由于吸盤由柔軟的硅膠材料制成，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下動(dòng)物的無損抓取。所抓取的動(dòng)物都可以通過打開抓取手吸盤回到水中自由游泳。
該仿生軟體抓取手由吸盤產(chǎn)生吸力與閉合進(jìn)行抓取形成的獨(dú)特的混合抓取模式，使得其無論是在空氣中還是水下都展示出了出色的抓取能力。未來，該抓取手在水下打撈、物流分類、流水線上異類物體的選擇和放置等方面將具有廣闊的應(yīng)用潛力。
論文的第一作者是謝廣明教授課題組的博士生武明信，通訊作者是謝廣明教授和鄭興文博士，合作單位包括中山大學(xué)、英國帝國理工學(xué)院、荷蘭格羅寧根大學(xué)等。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委和南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）的經(jīng)費(fèi)資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202104382
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