这才是真仿生！科学家利用多材料3D打印技术制造出高性价比柔性机械手

Original 李鑫机器人大讲堂 2023-12-22

长久以来，科学家们一直受到仿生学的启发，尝试创建出更高仿真度的机器人。其中，以生物学为灵感的柔性机械手是一个独特的研究分支，它具有内在的材料顺应性和连续运动性，能够应对不确定性并适应非结构化环境。

然而，由于目前许多柔性机器人的组件成本较高，制造工艺也较为复杂，因此难以进行大规模生产。最近，葡萄牙科英布拉大学的研究人员开发出一种新型柔性机械手，不仅价格更低廉，而且更容易制造。

柔性机械手动态演示

他们在《Cyborg and Bionic Systems》杂志上介绍了这一设计，该设计将柔性执行器与外骨骼相结合，两者均可通过可扩展技术制造。

柔性机械手可对单一手指进行操控

研究团队成员之一，佩德罗·内托（Pedro Neto）表示：“从整体上来看，绝大多数机器人均采用刚性材料设计，当我们仔细观察自然界中的生物时，不难发现它们的身体由坚硬的部分（如骨骼）和柔软的组织（如肌肉）相互配合而成。有些生物，例如蚯蚓，甚至完全由柔软的材料构成。这启发我们深思：未来的机器人将可能包括柔性材料制造的零部件，甚至在某些情形下，它们也可能会全身由柔性材质构建，仿效自然界的生物形态。”

与刚性机器人不同，软体机器人系统可能在户外和室内环境中可以更好的与人类和动物共存，举个简单的例子，当机器人与周围人类、动物或物体发生碰撞时，软体机器人通常不太可能给人类或动物造成重大损伤，而刚性机器人发生碰撞时则会产生另外一种结果。

佩德罗·内托及其团队的目标在于研发一种既安全又有性价比的新型柔性机械手，从理论角度来看，这种机械手更易于实现大规模部署，从而推动机器人领域的新研究和创新。佩德罗·内托表示：“我们运用有限元分析进行设计优化，以减少原型制造成本。实际证实，不管是采用软质材料打印某些零件，还是用硬质材料打印模具，使用普通的3D打印技术都是能够完成的。”

柔性机械手可以轻松抓握装满水的纸杯

这款柔性机械手，采用了多种不同材料设计，不仅能够模仿人手的外观和功能，还能模拟人类的相关动作，该机械手由5个执行器组成，每个执行器对应一根手指，此外还配有一个外骨骼结构，帮助增加手指的弯曲程度。研究人员通过一个开关控制器来维持特定的手指弯曲角度，使得柔性机械手能够高效地抓取各种不同形状、重量和尺寸的物体。

可从人类手中接过塑料杯抓握

从研究成果上来看，团队已经做过一系列模拟和实验以评估这款柔性机械手的性能，初步反馈结果是令人满意的，这只由不同材料打印而成的机械手，可以成功抓取许多不同形状、重量和大小的物体。佩德罗·内托表示，“我们的主要贡献在于集成设计制造系统，该系统利用有限元分析在制造前优化设计。这项成果有望提高柔性机器人的可获得性，同时降低成本，省去通常耗时的设计制造程序，这些程序通常依赖于资源密集型的迭代工作流程。”

这款柔性机械手还可以抓握异形物体

在未来，柔性机械手有望成为学术团队和个人研究工作者用来测试AI算法和其他计算的重要工具，从而促进机器人能力的进一步发展。此外，这项设计还为低成本仿人机器人的制造提供了新的可能性，降低柔性机器手的制造成本，帮助有需要的残障人士更好地融入生活。

佩德罗·内托表示，下一步研究方向将集中在改进执行器和传感器技术，以促进更多人对柔性机器人的认知，同时，研究人员还在研究如何使用人工智能来控制柔性机器人，这也是目前团队正在积极探讨的一个新领域。

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