軟體機器手具有很好的柔軟性和可適應性，能夠實現連續變形，在人-機器人以及環境-機器人的交互應用中，可以有效避免對人和物品等造成可能的傷害和損壞；更重要的是，軟體機器手能夠在較為簡單的控制策略下，輕松實現與復雜形狀的物體的貼合（共形）接觸。因此，能夠靈巧的抓取物體軟體機器手近來受到人們廣泛關注。
近日，美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊設計了一種智能軟體機器手及其軟體執行器。該智能軟機器手基于摩擦納米發電機（TENG）以及繩線（肌腱）驅動方式，具有快速響應、精確控制、自供電式的壓力和彎曲感應功能、以及能量收集功能等特點（圖1）。手指狀軟體執行器采用模塊化設計，通過微型直流電動機驅動牽引內部繩線從而使機器人手指產生彎曲變形，并依據人手指的構型，軟體手指通過多個三角形切口將彈性體分段從而有利于彎曲以及與目標物體的共形接觸。摩擦皮膚貼片表面排列有微型金字塔結構，具有高靈敏度以及較高的表面兼容性，并可以通過TENG自發電壓信號來實現接觸壓力信號監測，包括接近、碰觸和壓力感應。該設計中，安裝于手指執行器內腔的摩擦起電片通過一對接觸片間的接觸程度大小來反饋其彎曲狀態。實驗表明，裝有摩擦納米發電機構件的智能軟體抓手可以輕松實現手指表面接觸壓力與彎曲程度的信號監測以及能量收集。此外，該抓手可進一步反饋其實際抓取過程（接近，抓取與緊握，以及張開與釋放等）中的狀態，并且進行基本的判斷并識別抓取物體的輪廓特征以及重量。該軟機器手能夠拾取各種物體，同時提供感官反饋并產生電能，未來在機器人-人和機器人-環境交互應用中將具有巨大的潛力。
圖1. 智能軟體機器手通過摩擦納米發電機（TENG）實現接觸力以及彎曲程度實時信號監控和能量收集，可以實現果蔬采摘和篩選。
圖2. 設計與制備帶有摩擦起電皮膚Tribo-Skin的智能手指狀軟體執行器。（a）裝備有摩擦起電皮膚與內部摩擦納米發電機片的可用于能量回收以及傳感的繩線式執行器的設計示意圖。（b）裝配完成的軟體指狀執行器。（c）執行器主體的制造過程示意圖。（d）摩擦起電皮膚貼片的制造過程示意圖。（e）未噴涂銀納米線電極的軟體皮膚貼片。（f）通過在摩擦起電皮膚表面排列微型金字塔結構增強其摩擦起電性能。（g）PTFE薄膜上的噴涂的銀納米線薄膜電極的SEM圖像。
圖3. 軟體執行器內腔的摩擦納米發電機TENG的工作原理及其性能。（a）內部摩擦納米起電片的工作原理示意圖：執行器的彎曲將會使得起電片B（與軟體手指內腔貼合）與起電片A（與打印的手指支座相連）相接觸并且兩者接觸面積會隨著執行器彎曲程度增大而擴大。（b）內部摩擦納米發電機片峰值電壓與指狀執行器彎曲程度（由直流馬達轉角大小衡量）的關系。（c）內部摩擦納米發電機片峰值電壓與指狀執行器彎曲參數α（初末節指骨夾角）的關系以及相應的擬合曲線。（d）有限元分析得到的軟體執行器在不同彎曲程度下的應變分布。
圖4. 軟體摩擦起電皮膚Tribo-Skin的工作原理及其性能。（a）摩擦起電皮膚的工作原理示意圖：借助表面微型金字塔結構所表現出與接觸面積以及擠壓深度相關聯的電壓輸出特性。8 N作用力以1 Hz頻率擠壓摩擦起電皮膚所產生的（b）開路電壓，（c）電流以及（d）轉移電荷。（e）不同幅值的擠壓力使摩擦起電皮膚產生的開路電壓大小（頻率保持1 Hz）。（f）摩擦起電皮膚峰值電壓與接觸力大小的關系及相應擬合曲線（頻率保持1 Hz）。（g）擠壓頻率與輸出電壓的關系（作用力保持7 N）。（h）摩擦起電皮膚的電壓輸出特性與不同接觸材料相關。（i）摩擦起電皮膚穩定性測試結果。
圖5. 由三個執行器組裝的智能軟體機器手的綜合性能。（a）軟體機器手的設計示意圖，其中三個指狀執行器互成120°分布并安裝在3D打印支座上。（b）基于摩擦起電皮膚能量收集系統的電路示意圖。（c）使用不同電容的抓手充電曲線。（d）抓取塑料球體。（e）由三塊摩擦起電皮膚產生的實時電壓信號，體現了包括接觸與擠壓，抓取，張開與釋放的過程。（f）抓取質量增加后的相同塑料球體。（g）由三塊摩擦起電皮膚產生的實時電壓信號包括內部摩擦納米發電片的電壓信號。（h）抓取空心六棱柱。（i）由三塊TENG皮膚產生的實時電壓信號以及內部TENG的信號。
圖6.智能軟體機器手抓取并采摘西紅柿的實驗驗證。（a）抓取位于莖稈上的西紅柿。（b）采摘過程中，摩擦起電皮膚傳感器產生的實時電壓信號，包括接近、抓取與緊握以及釋放過程的信號變化。（c）抓取不同重量的西紅柿。（d）抓取過程中，摩擦起電皮膚產生的實時電壓信號，驗證其識別目標物體重量的能力。
以上相關成果發表在國際著名期刊Advanced Materials Technologies上。論文共同第一作者為密歇根州立大學博士生陳守鍔與博士后逄堯堃博士，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授，密歇根州立大學譚曉波教授和南方科技大學袁鴻雁教授為論文共同作者。
論文鏈接:
S. Chen, Y. Pang, H. Yuan, X. Tan, C. Cao. Smart Soft Actuators and Grippers Enabled by Self-Powered Tribo-Skins. Advanced Materials Technologies,2019. https://doi.org/10.1002/admt.201901075
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