本周三，斯坦福大學工程師的一項新成果發佈於國際學術頂刊《科學》的子刊《科學·機器人學》上。研究人員受壁虎腳趾抓地啟發，開發了一種兼具靈巧和穩健抓握能力的機械手“farmHand”，它可以平穩抓握雞蛋、葡萄、籃球等物體。
與很多我們常見的機械手不同，這一機械手的多指關節像人手一樣，可以更大範圍地展開和收合，如下圖所示，能以一種類似“採摘”的方式抓取雞蛋、籃球甚至比自己體積更大的物體。
▲抓取雞蛋
有的機械手可以靈巧地抓握雞蛋，有的能平穩地抓起籃球，但與人手不同的是，很少有機械手同時具備這兩類技能。
斯坦福大學仿生學和靈巧操作實驗室的前研究生、21歲的威爾遜·羅托洛（Wilson Ruotolo）說：“你會看到機械手進行強力抓握和精確抓握，然後暗示它們可以做任何事情。我們想要解決的是如何創造既靈巧又強大的機械手。”
斯坦福大學仿生學和靈巧操作實驗室的研究生羅托洛和戴恩·布勞爾（Dane Brouwer）關於機械手的論文於12月15日發表在《科學·機器人學》雜誌中。
鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi9773
一、初衷為助農，采水果、握籃球不在話下
研究人員將基於壁虎腳趾抓地原理製造的粘合劑與定製的機械手相結合，旨在創造一種能夠以微妙的力量抓握的機械手，可以實現和人手類似的大範圍展開、收合。
研究人員設計初衷是作為機器人農業輔助工具，利用機械手輕柔地操作水果。作為一款能高效使用乾式粘合技術的通用機械手，保持了從紙箱里摘雞蛋和從葡萄藤上摘葡萄的輕柔靈巧。
▲抓取葡萄
它可以把“手掌”張開得大大的，操縱較大型的物體，例如籃球、罐型飲料等。
▲抓取籃球
這款機械手還可以用強力操控比自身大許多倍的重物。
▲操控較大物體
此外，這一機械手還可以同時抓取兩個物體。
▲同時抓取兩個物體
“壁虎粘合劑的首次應用與攀爬機器人、攀爬人或抓取空間中非常大、非常光滑的物體有關。但是我們一直在考慮將它們用於更實際的應用程序。”Cutkosky說，“但事實證明，壁虎粘合劑實際上非常挑剔。”
首次在多指擬人機械手上使用壁虎粘合劑是一項挑戰，這需要特別注意控制機械手手指的肌腱和粘合劑下方的指墊設計。
二、利用分子間作用力，實現穩固抓握
平行機械手相對於更擬人化的多指機械手的一個優勢是具有高抓力的潛力，因此可以使用單個精確手指來獲得力量，而多指機械手farmHand利用壁虎粘合劑提供了更多的抓握能力。
該機械手受益於兩種生物靈感。首先是人手，它有多關節的手指，不過僅有四個手指，其次是壁虎，基於壁虎腳趾抓地的靈感，在該論文的作者之一、斯坦福大學工程學院弗萊徹瓊斯教授馬克·卡特科斯基（Mark Cutkosky）領導下，研究小組研製了抓地力強但不粘的壁虎粘合劑，塗在這一機械手的手指上。
▲機械手原理圖
就像壁虎的腳趾一樣，塗抹壁虎粘合劑的機械手可以通過微小的皮瓣固定在物體上。當與表面完全接觸時，這些皮瓣會產生范德華力（分子間相互作用力），由分子外部電子位置的細微差異引起。因此，粘合劑僅需要很小的力量就可以牢固抓握物體。這種粘合劑的另一個好處就是，它們摸起來不會發粘或留下殘留物。
機械手塗抹壁虎粘合劑后，抓取物體需要依靠手指的正面而不是尖端，這樣可以提供更多可用的接觸區域。為了探索權衡，研究人員通過消除最終鏈接長度固定的約束，來增大機械手制動器的扭矩。
三、增加肋骨結構，擴大抓握面積
問題的關鍵在於，壁虎粘合劑必須以特定方式與物體表面接觸，以激活范德華力。當將壁虎粘合劑塗抹在較為平坦的表面上時，可以比較容易地控制與物體接觸的方式。但是當必須依賴於多個附有壁虎粘合劑的手指抓握物體，並以不同角度接觸物體時，也就是使用farmHand抓握時，對於壁虎粘合劑的控制就更加困難。
為了解決這一難題，研究人員在粘合劑下方，為該機械手增加了一層指墊。這層紙墊由可摺疊的像肋骨一樣的結構製成，只需很小的力即可彎曲。無論接觸的位置或角度如何，肋條都呈彎曲狀態，以確保粘合墊上的力相等，並防止產生任何一個過早滑動導致物體掉落。
▲機械手的指墊設計
“如果你移動這些肋骨，無論你從哪裡開始，肋條都會產生類似的力。”布勞威爾說，“這是一種簡單的物理行為，甚至可以部署在機器人技術之外的空間中，例如鞋面或全地形輪胎。”
人手的肌腱很重要，可以實現大範圍的展開和收合。不過很多機械手和夾子被設計成“C”形，就像只用指尖撿起東西一樣，但這一機械手基於人手的肌腱原理，實現了更大的抓握面積，在手指末端安裝了墊子，這也為壁虎粘合劑提供了更多的表面積。
設計靈活又功能強大的機械手的的另一個問題在於，現有的計算機模擬很難預測軟物體的真實性能，因此使設計恰到好處尤其困難。但是研究人員在3D打印和測試許多硬塑料和軟塑料組件過程中受益匪淺，這也加快了他們的研究進程。他們甚至說：“如果在五年前，這項研究不太可能成功實現，或者至少要慢得多。”
對該機械手的進一步改進可能會以反饋功能的形式出現，這將幫助用戶了解它的抓握方式以及在使用機械手時如何更好地抓握。
結語：兼具靈活與穩健，促進商業化落地
多指機械手相比於平行機械手更加靈活，但想要在實際生活中採用，還需要具備平行機械手的穩健功能。而斯坦福的研究人員將機械手的靈活性和剛度相結合，既可以抓取雞蛋、西瓜等，也可以抓握比自己大的物體。
其次，初代機械手farmHand原型是低成本的，這也為其升級提供了條件。研究人員表示，在未來更高性能的電機扭矩將實現更高的肌腱張力，以及採用更硬的肋骨也能提高機械手的整體穩定性。研究人員還在考慮將這一機械手進一步商業化。