Sci. Robot.: 通过纸片与切缝实现精准的柔性机器手抓取功能

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软体机器手在人机互动中是一个新兴的研究方向。与传统机器手相比，其在复杂环境下，抓取易损坏和易变形的物体上具有显著优势，可以被广泛用于生物医疗，海洋探索，食物包装等领域。目前的软体机器手设计大多基于流体驱动（fluid actuation）的软材料弹性变形，或者刺激响应材料（stimuli-responsive materials）在外界刺激下的变形响应实现抓取机制。然而，这些设计在提供柔性接触的同时常常牺牲了抓取的速度与操控的精度。

机器手结构的柔性不仅取决于材料的弹性模量，同时很大程度上受到结构构型的影响。近日，美国波士顿大学工程学院道格拉斯·福尔摩斯 （Douglas Holmes）课题组，使用基于剪纸的薄壳弹性屈曲变形，巧妙的设计了一个简单通用的柔性机构实现精准的机器手抓取力学与运动机理。该项工作由在读博士生杨溢领导并完成，以 “Grasping with kirigami shells” 为题，发表于Science Robotics 2021年5月刊。 

剪纸切纹的选择是基于作者前一项关于多稳态剪纸构型的研究*。当将这些特别的切纹排列方式被切割在薄壳结构上时，在单轴向拉伸的外在荷载作用下，薄壳会发生可复原的屈曲变形。作者利用这个动态屈曲变形过程实现了抓取的力学与运动学功能（图1）。完全闭合后的薄壳会形成一个中空的囊结构，可以用于包裹物体。薄壳的边缘可以像触手一样夹取物体。两者结合同时达到类似于人手“握”与“捏”的功能。除了可以轻易抓取表面光滑，易损坏，易变形的物体外， 由于薄壳结构造型简单，因此剪纸薄壳的尺度可以被放大或缩小以便精准抓取毫米级甚至更小的物体。 

图1. 剪纸薄壳的几何构型与作为机器手的抓取方式

剪纸薄壳的制作也十分简单。作者使用的是工业上常用的聚对苯二甲酸乙二酯（PET） 薄板 。首先将PET薄板通过激光切割出所要的剪纸纹排列，然后将切割好的剪纸薄板固定于金属圆柱上加热定型从而获得剪纸薄壳（图2）。薄壳的曲率作为诱导屈曲变形的条件，并不显著影响其作为机器手的功能。作者使用有限元模拟和简化的力学模型解释了其具体工作原理，推导了设计参数，并进行了实验的验证。

图2. 剪纸薄壳的制作与轴向拉伸下的变形

此项工作的一个突出特点是可以将单个剪纸薄壳串联，并联，设计成空间阵列的形式用于同时抓取多个物体（图3）。作者首先研究了单个剪纸薄壳的平面抓取区域，并确定了串联后的剪纸薄壳的平面抓取区域是单个剪纸薄壳抓取的叠加。作者以光滑易破损的水凝胶球体为例展示了串联后的剪纸薄壳可以自动排列并一次性抓取在其抓取区域内的所有大小不一的球体。作者同时展示了将串联后的剪纸薄壳再进行并联，形成阵列的形式。并使用剪纸薄壳阵列 (3x8) 在不改变物体相对空间位置的情况下，精确抓取并转移了24个等大的水凝胶球。此外，由于致动（actuation）机理是通过力学原理，且不完全依赖于制作材料本身， 作者还使用硅胶材料（polyvinyl siloxane）与铁磁性材料（Fe）结合，实现通过磁控进行快速抓取。

图3. 剪纸薄壳机器手阵列

论文链接：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/54/eabd6426

*参考文献：

https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.2.110601

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