可以捡起比人类头发细20倍的微胶片……北卡华人团队研发轻柔且精确机器人抓手

【华e生活编译】北卡州立大学的研究人员已经开发出一种机器人抓取装置,它轻柔到可以捡起一滴水,强壮到可以捡起6.4公斤(14.1磅)的重物,灵巧到可以折叠一块布,精确到可以捡起比人类头发细20倍的微胶片。

除了具有这些超凡的功能,研究人员还将该设备与技术相结合,使抓手能够通过前臂肌肉产生的电信号来控制,展示了它在机器人假肢上的应用潜力。

该研究论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程副教授尹杰(音,Jie Yin)说:“由于要在强度、精度和柔软度之间进行权衡,很难开发出一种能够处理超软、超薄和重物的单一柔软夹具。”“我们的设计很好地平衡了这些特点。”

新夹具的设计是建立在上一代灵活的机器人夹具的基础上的,后者借鉴了kirigami的艺术,这种艺术包括切割和折叠二维材料片以形成三维形状。

“我们的新夹具也使用了kirigami,但本质上是不同的,因为我们从以前的设计中学到了很多东西,”该论文的合著者、最近从北卡罗来纳州立大学获得博士学位的 Yaoye Hong说。“我们已经能够改进基本结构本身,以及抓手的轨迹,即抓手在抓取物体时接近物体的路径。”

新设计能够实现高度的强度和柔韧性,因为它如何在整个抓手结构中分配力。

尹博士表示:“机器人夹爪的力量通常以载荷重量比来衡量。我们的夹爪重量为0.4克,最大承重能力为6.4千克。这意味着其载荷重量比约为16,000,比之前载荷重量比的记录6,400高出2.5倍。再加上其柔软和精确的特性,这些夹爪的力量显示出广泛的应用潜力。”

新技术另一个好处吸引人的特点是,它主要是由其结构设计驱动的,而不是由用于制造抓手的材料驱动的。

“这意味着你可以用可生物降解的材料制造抓手,比如结实的植物叶子。”Hong说,“这对于那些你只想在有限的时间内使用抓手的应用来说尤其有用,比如在处理食物或生物医学材料的时候。例如,我们已经证明,抓手可以用来处理尖锐的医疗废物,比如针头。”

研究人员还将夹持装置与肌电假体手相结合,这意味着假肢可以通过肌肉活动来控制。

“这个夹爪为一些现有假肢难以完成的任务提供了增强功能,比如拉链,捡起硬币等。”论文合著者、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合生物医学工程系的杰克逊家族杰出教授海伦·黄(Helen Huang)说。

“新的夹爪不能完全取代现有假体手的所有功能,但可以用来补充其他功能。”黄说,“而且,利用这种活性剪纸夹爪的一个优势是,你不需要更换或增强机器人假体中现有的马达。你只需在使用这些夹爪时利用现有的马达。”

在概念验证测试中,研究人员展示了活性剪纸夹爪与肌电假体的配合,可以翻书页和采摘葡萄。

“我们认为这个夹爪设计在机器人假体、食品加工、制药和电子制造等领域有潜在的应用。”尹博士说,“我们期待与行业合作伙伴共同寻找将这项技术投入实际应用的途径。”

这篇名为《角度编程蔓藤般轨迹实现多功能夹爪具有超精细、超强力和超高精度》( Angle-programmed tendril-like trajectories enable a multifunctional gripper with ultradelicacy, ultrastrength, and ultraprecision)的论文,已经以开放获取的形式发表在2023年8月的《自然通讯》杂志上。

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