設計柔軟敏感的機器人手指

盡管機器人技術已經重塑甚至重新定義了許多工業領域，但在諸如健康和養老等領域，機器與人類之間仍然存在差距。為了使機器人能夠安全地操縱易碎物體和活生物體或與之互動，需要一種新的策略來增強其感知力，同時使它們的部件更柔軟。實際上，構建具有人類功能的安全靈巧的機器人抓手是當前機器人技術中最重要的目標之一。

設計軟機器人抓爪的主要挑戰之一是將傳統傳感器集成到機器人的手指上。理想情況下，軟抓手應該具有所謂的本體感覺(即自身的動作和位置感)，以便能夠安全地執行各種任務。然而，傳統的傳感器是剛性的，并且損害了軟部件的機械特性。而且，現有的軟爪通常被設計成具有單一類型的本體感受。壓力或手指彎曲度。

為了克服這些局限性，日本立命館大學的科學家一直在謝孟英副教授的帶領下研究新穎的軟爪設計。在發表于《納米能源》上的最新研究中，他們成功地使用了多種材料的3D打印技術來制造帶有內置本體感覺傳感器的柔軟的機器人手指。他們的設計策略具有眾多優勢，代表了向更安全，功能更強大的軟機器人邁出的一大步。

軟手指具有增強的充氣腔，使其可以根據輸入氣壓以高度可控的方式彎曲。另外，手指的剛度還可以通過在單獨的腔室中產生真空來調節。這是通過一種稱為“真空阻塞”的機制來實現的，通過該機制，可彎曲材料的多個堆疊層可以通過抽吸它們之間的空氣而變得剛性。結合這兩個功能，三指機器人抓爪可以通過確保施加必要的力來正確抓握并保持對任何物體的抓握。

然而，最值得注意的是，在真空阻塞層之中包括單個壓電層作為傳感器。當材料處于壓力下時，壓電效應會產生電壓差。科學家利用這種現象作為機械手指的感應機制，提供了一種簡單的方式來感知其彎曲度和初始剛度(在進行真空調節之前)。他們通過在干擾層中包括微結構層來改善手指在壓電材料上的壓力分布，從而進一步增強了手指的靈敏度。

使用多種材料的3D打印(一種簡單，快速的原型制作過程)使研究人員可以輕松地將感應和剛度調整機制集成到機械手手指的設計中。謝教授說：“我們的工作提出了一種設計傳感器的方法，該傳感器不僅可以作為機器人應用的傳感元件，而且還可以作為有效的功能材料來提供對整個系統的更好控制，而不會影響其動態行為。” 他們設計的另一個顯著特點是傳感器通過壓電效應自供電，這意味著它不需要能量供應，這對于低功率應用是必不可少的。

總體而言，這項激動人心的新研究將幫助未來的研究人員找到新的方法來改善軟抓手與被操縱物體的相互作用和感知方式。反過來，這將極大地擴展機器人的用途，正如謝教授指出的那樣：“自供電的內置傳感器不僅將使機器人能夠與人類及其周圍環境安全地交互，而且還消除了目前依賴機器人的應用程序的障礙。在電動傳感器上監視狀況。”

讓我們希望這項技術得到進一步發展，以便我們的機械朋友可以很快加入我們的人類活動。