章魚作為軟體動(dòng)物的典型代表而受到研究人員的廣泛關(guān)注。其觸手多自由度運(yùn)動(dòng)+數(shù)以百計(jì)吸盤的奇特結(jié)構(gòu)賦予其無與倫比的水下復(fù)雜精密操作能力，能快速捕捉小至螃蟹，大到鯊魚。
研究人員發(fā)現(xiàn)不同種類的章魚有著不同大小的觸手錐度角，錐度角較大的觸手能提供更大的纏繞力；而錐度角較小的觸手使得章魚可以在狹窄的受限環(huán)境下進(jìn)行自如的操作，鮮有研究針對(duì)錐度角這一生物特征，對(duì)章魚觸手的“纏繞+吸附”功能進(jìn)行研究。
2月26日，北京航空航天大學(xué)文力教授與哈佛大學(xué)Katia Bertoldi教授合作團(tuán)隊(duì)在國際期刊《Soft Robotics》發(fā)表了最新的研究成果“OctopusArm-Inspired Tapered Soft Actuators with Suckers for Improved Grasping”。
該研究根據(jù)生物章魚觸手具有不同錐度的特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，仿生設(shè)計(jì)并制造了集“纏繞+吸附”于一體的章魚觸手(Tentacle Bot)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同大小、材質(zhì)，以及狹窄空間環(huán)境下物體的有效抓持。
北京航空航天大學(xué)為該研究的第一單位、第一通訊單位。
課題組首先探索了自然界大量的生物章魚觸手的形態(tài)學(xué)特征，并從中提取“錐度角”這一幾何參量，發(fā)現(xiàn)自然界的章魚觸手的錐度分布在3度至13.5度。
為了探索錐度角對(duì)軟體機(jī)器人的影響，課題組利用有限元仿真工具對(duì)具有不同錐度角的錐形軟體機(jī)器人進(jìn)行了分析。
在不同錐度角下，機(jī)器人在彎曲曲率以及彎曲作用力層面上具有不同的變化情況，課題組發(fā)現(xiàn)，小錐度角會(huì)帶來大的彎曲曲率以及小的彎曲作用力，相反，大錐度角將帶來小的彎曲曲率和大的彎曲作用力。
一個(gè)完美的錐度角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小、重量物體的抓取。
圖3 利用有限元仿真工具實(shí)現(xiàn)：生物→仿生機(jī)器人
進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)模擬章魚吸盤的結(jié)構(gòu)及分布方式將錐形軟體機(jī)器人與軟體吸盤相結(jié)合，制造出集纏繞和吸附功能于一體的仿生章魚觸手機(jī)器人，錐形結(jié)構(gòu)與吸盤分別通過正壓與負(fù)壓發(fā)生器進(jìn)行控制。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器人的吸附性能進(jìn)行了探究。
課題組發(fā)現(xiàn)，錐度角同時(shí)對(duì)機(jī)器人的吸附功能有著重要的影響，相比于傳統(tǒng)的圓柱形機(jī)器人，錐形機(jī)器人不但能提供更大的最大吸附力，在吸盤剝離過程中由于自身的柔性，也能提供更長時(shí)間的吸附，不至于快速脫落。仿生章魚觸手機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粗糙度平面的吸附。
另外，通過結(jié)合彎曲功能，機(jī)器人能調(diào)節(jié)彎曲角度實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的貼合吸附功能，進(jìn)一步擴(kuò)大了可吸附物體的范圍。
章魚錐度軟體驅(qū)動(dòng)器 vs. 傳統(tǒng)圓柱軟體驅(qū)動(dòng)器吸附性能
結(jié)合了纏繞與吸附兩種抓取方式使得機(jī)器人能夠更為快捷、方便地抓取各種大小、材質(zhì)、重量的物體，小至直徑20mm的試管，雞蛋，大到直徑750mm的瑜伽球，機(jī)器人都能快速穩(wěn)定地抓起。
此外，與機(jī)械臂相結(jié)合，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)半自主的“吸附-纏繞-傳遞-交付”動(dòng)作，為工業(yè)使用提供了可能性。機(jī)器人錐狀的外形更是賦予其穿過狹窄的洞口取出內(nèi)部物體等類似生物章魚觸手的能力。
這項(xiàng)研究工作提出的結(jié)合纏繞+吸附的抓持方式，為軟體機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)思路，并將對(duì)章魚觸手生物力學(xué)機(jī)理意義提供新的理解。
Credit: Wyss institute/Harvard
該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目，重點(diǎn)項(xiàng)目，共融機(jī)器人重大研發(fā)計(jì)劃，F(xiàn)esto橫向課題等項(xiàng)目的支持。
https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2019.0082
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