设计柔软敏感的机器人手指

尽管机器人技术已经重塑甚至重新定义了许多工业领域，但在诸如健康和养老等领域，机器与人类之间仍然存在差距。为了使机器人能够安全地操纵易碎物体和活生物体或与之互动，需要一种新的策略来增强其感知力，同时使它们的部件更柔软。实际上，构建具有人类功能的安全灵巧的机器人抓手是当前机器人技术中最重要的目标之一。

设计软机器人抓爪的主要挑战之一是将传统传感器集成到机器人的手指上。理想情况下，软抓手应该具有所谓的本体感觉(即自身的动作和位置感)，以便能够安全地执行各种任务。然而，传统的传感器是刚性的，并且损害了软部件的机械特性。而且，现有的软爪通常被设计成具有单一类型的本体感受。压力或手指弯曲度。

为了克服这些局限性，日本立命馆大学的科学家一直在谢孟英副教授的带领下研究新颖的软爪设计。在发表于《纳米能源》上的最新研究中，他们成功地使用了多种材料的3D打印技术来制造带有内置本体感觉传感器的柔软的机器人手指。他们的设计策略具有众多优势，代表了向更安全，功能更强大的软机器人迈出的一大步。

软手指具有增强的充气腔，使其可以根据输入气压以高度可控的方式弯曲。另外，手指的刚度还可以通过在单独的腔室中产生真空来调节。这是通过一种称为“真空阻塞”的机制来实现的，通过该机制，可弯曲材料的多个堆叠层可以通过抽吸它们之间的空气而变得刚性。结合这两个功能，三指机器人抓爪可以通过确保施加必要的力来正确抓握并保持对任何物体的抓握。

然而，最值得注意的是，在真空阻塞层之中包括单个压电层作为传感器。当材料处于压力下时，压电效应会产生电压差。科学家利用这种现象作为机械手指的感应机制，提供了一种简单的方式来感知其弯曲度和初始刚度(在进行真空调节之前)。他们通过在干扰层中包括微结构层来改善手指在压电材料上的压力分布，从而进一步增强了手指的灵敏度。

使用多种材料的3D打印(一种简单，快速的原型制作过程)使研究人员可以轻松地将感应和刚度调整机制集成到机械手手指的设计中。谢教授说：“我们的工作提出了一种设计传感器的方法，该传感器不仅可以作为机器人应用的传感元件，而且还可以作为有效的功能材料来提供对整个系统的更好控制，而不会影响其动态行为。” 他们设计的另一个显着特点是传感器通过压电效应自供电，这意味着它不需要能量供应，这对于低功率应用是必不可少的。

总体而言，这项激动人心的新研究将帮助未来的研究人员找到新的方法来改善软抓手与被操纵物体的相互作用和感知方式。反过来，这将极大地扩展机器人的用途，正如谢教授指出的那样：“自供电的内置传感器不仅将使机器人能够与人类及其周围环境安全地交互，而且还消除了目前依赖机器人的应用程序的障碍。在电动传感器上监视状况。”

让我们希望这项技术得到进一步发展，以便我们的机械朋友可以很快加入我们的人类活动。