長期的水下任務(wù)會導(dǎo)致嚴(yán)重的減壓病 (DCI)。2011 年美國勞工統(tǒng)計局記錄，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，形成獨特的傘形，這樣的特點可以通過防止動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物的抓取可靠性。在這項研究中，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，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，流量發(fā)生變化。(C)實物傳感測試。根據(jù)流量來區(qū)分對象的類型。
該抓取手具有出色的吸力和抓取能力，可以產(chǎn)生單獨吸力抓取，單獨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。實驗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，實現(xiàn)對物體的抓取。(B )吸力模式下抓取物體。 (C) 抓取不規(guī)則小物體。該抓取手可以同時抓取多個物體。(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. 軟體抓取手動物抓取實驗。(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，因此可以實現(xiàn)對水下動物的無損抓取。所抓取的動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)與工程廣東省實驗室（廣州）的經(jīng)費(fèi)資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202104382
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