斯坦福工程师研发壁虎式抓取机器人手

斯坦福大学多年来在其受壁虎启发的机器人手研究上取得了巨大进展。2021年5月，一种“壁虎式抓取”版本甚至被送上国际空间站，测试其完成垃圾收集和卫星固定等任务的能力。

大量机器人手和夹具都面临一个共同的难题，科学家称之为“传家宝番茄问题”。你可能见过机器人夹爪灵巧地拿起鸡蛋，或者很好地抓住篮球，但与人手不同，同一个夹爪很难同时做到这两者，而关键的挑战就隐藏在中间地带。

“你会看到机器人手能做出有力的抓握和精准的抓握，然后人们便认为它们能做到介于两者之间的一切。我们想要解决的是，如何制造同时兼具灵巧与力量的机械手。”

威尔逊·鲁奥托洛博士，斯坦福仿生与灵巧操作实验室前博士生

这一目标的成果是“farmHand”，一种机器人手，由鲁奥托洛和戴恩·布劳尔（斯坦福仿生与灵巧操作实验室博士生，该实验室也被称为“农场”）设计，并在发表于《科学机器人》的论文中详细描述。在测试中，研究人员证明farmHand能够处理多种物体，包括生鸡蛋、葡萄串、盘子、盛有液体的水壶、篮球，甚至角磨机。

FarmHand借鉴了两种生物学灵感。其多关节手指类似人手，尽管只有四根手指，而手指表面覆盖着一层模仿壁虎的黏合材料。这种抓附力强却不粘手的材料基于壁虎脚趾的结构，由马克·卡特科斯基领导的仿生与灵巧操作实验室在过去十年间研发而成。卡特科斯基是工程学院教授，也是这项研究的资深作者。

在多指仿人夹爪上使用壁虎黏合材料，此前一直是个难题，需要特别关注驱动farmHand手指的肌腱，以及黏合层下方指垫的设计。

与壁虎脚趾一样，壁虎黏合材料通过大量微小的细毛实现牢固附着。当这些细毛与表面充分接触时，会产生范德华力，这是一种因分子外层电子位置的细微差异而产生的微弱分子间作用力。因此，黏合材料可以产生很强的附着力，而只需很小的施力。另一个优点是，它摸上去不黏手，也不会留下痕迹。

“壁虎黏合材料最初的应用主要包括机器人攀爬、人体攀爬，或在太空中抓取非常大且光滑的物体。但我们一直想将其用于更实用的场景。问题在于，壁虎黏合材料其实非常挑剔。”

马克·卡特科斯基工程学院教授

关键在于，壁虎黏合材料必须以特定方式与表面接触，才能激活范德华力。当它平滑地贴合在平面上时，这一点相对容易控制，但当抓取需要多个黏性部位以不同角度与物体接触时，例如farmHand的情况，控制就困难得多。

位于黏合区域下方的farmHand指垫有助于解决这一问题。它们由可折叠的肋状结构制成，只需很小的力就能弯曲。无论接触位置或角度如何，肋条都会持续弯曲，从而使各个黏性垫承受均等的力，并防止其中任何一个过早滑脱。

“如果你移动这些肋条，无论从哪里开始，弯曲都会产生相同的力。这种简单的物理特性甚至可以应用于机器人学之外的领域，例如鞋底防滑层或越野车轮胎。”

戴恩·布劳尔斯坦福仿生与灵巧操作实验室博士生

肌腱同样至关重要，因为它们能够实现过度伸展的压缩。许多机器人手和夹具都是以“C”字形夹持物体，就像用指尖提起东西，而farmHand则是用指尖压住一个垫子，将其按向另一个垫子。这为黏合材料提供了更大的作用表面。

要获得正确的设计尤其困难，因为现有的计算机模拟难以准确预测柔软物体上的实际性能，这也是机器人抓取难题的另一个因素。但研究人员从快速迭代的3D打印和测试众多硬质与软质塑料部件中获益良多。他们甚至认为，五年前，他们的成功或许是不可能实现的，或者至少会慢得多。

farmHand未来可能会加入反馈功能，帮助用户了解它如何抓取，以及在使用手部时如何更好地抓取。研究人员也在考虑将这项工作用于商业应用。