近日，美國(guó)哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)的研究者根據(jù)螳螂腿部結(jié)構(gòu)研發(fā)一種新的機(jī)械手，設(shè)計(jì)出的機(jī)械手不僅更加靈敏，而且更適用于不會(huì)表達(dá)的機(jī)器人。

 

哈佛大學(xué)仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的引領(lǐng)人羅伯特D.豪與耶魯大學(xué)的助理教授亞倫.多拉爾，共同致力于機(jī)械手的研發(fā)。他們認(rèn)為，人類研究機(jī)械手近二三十年時(shí)間，但制造出的機(jī)械手很少能夠完成靈巧的動(dòng)作。在現(xiàn)實(shí)中，機(jī)器人和人類同樣存在一定困難來(lái)建立起手和要抓取物體之間的聯(lián)系。人類通過(guò)張開(kāi)手指使其變得柔韌靈活來(lái)彌補(bǔ)這種失誤，從而使手指在握住并拿起物體之前能夠沿著物體的邊緣滑動(dòng)；而應(yīng)對(duì)失誤，機(jī)器人技術(shù)研究的傳統(tǒng)方法是使用大量的傳感器、馬達(dá)和控制器，其結(jié)果導(dǎo)致機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用昂貴。由于需要大量的計(jì)算機(jī)運(yùn)算來(lái)完成最簡(jiǎn)單的任務(wù)，使得這種機(jī)械手動(dòng)作更加遲緩。如果讓一只機(jī)械手端起一只葡萄酒高腳杯，除非它以蝸牛般的速度，否則在觸碰到酒杯時(shí)，在傳感信號(hào)傳回計(jì)算機(jī)并作出反應(yīng)前，機(jī)械手已經(jīng)將這只酒杯碰翻了。

研究者出人意料的設(shè)計(jì)的靈感源于螳螂的腿部結(jié)構(gòu)，他們選擇了完全相反的途徑，通過(guò)仿生螳螂的腿部結(jié)構(gòu)，徹底改造機(jī)械手，讓它自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)抓取各種形狀的物體。在上世紀(jì)80年代，加州大學(xué)伯克利的羅伯特教授開(kāi)始研究螳螂如何行走在崎嶇的物體表面。螳螂的大腦很小，羅伯特認(rèn)為它們不可能如此迅速地計(jì)算出敏捷的行動(dòng)。他分析了螳螂腿部的力學(xué)結(jié)構(gòu)和工作原理，研究顯示它們的腿部靈活柔韌，這種結(jié)構(gòu)使得螳螂無(wú)需考慮就可自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)崎嶇的物體表面。羅伯特用彈簧和絞鏈仿制了機(jī)器腿，并制造出一個(gè)八條腿的機(jī)器人，以驚人的速度在崎嶇的物體表面行走，而此前從未有過(guò)機(jī)器人能達(dá)到如此水平。

羅伯特的研究震驚了機(jī)器人學(xué)界，多拉爾和豪決定通過(guò)相似的方法制造出機(jī)械手。如果能選擇合適的彈簧和手指的形狀尺寸，機(jī)械手將可以變得柔韌并可沿著物體的邊緣滑動(dòng)，以抓取物體，如同人類的端起一個(gè)咖啡杯一樣。首先，他們通過(guò)電纜和滑輪控制兩個(gè)雙連接的塑料手指和一個(gè)單獨(dú)的馬達(dá)，然后再添加另外一組手指以穩(wěn)定地抓取。盡管只有四指結(jié)構(gòu)，最終的機(jī)械手具備了人手的幾項(xiàng)特性。除此之外，機(jī)械手的關(guān)節(jié)能夠張開(kāi)25度到45度，并且指根部的關(guān)節(jié)比手指關(guān)節(jié)更加靈活。設(shè)計(jì)者同樣加裝了傳感器來(lái)感測(cè)手指觸碰物體和關(guān)節(jié)的角度。雖然機(jī)械手的自動(dòng)調(diào)整還存在很多小毛病，但傳感器能夠彌補(bǔ)一些大的失誤。

最終這個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械手能靈巧地完成抓取大多數(shù)物體的任務(wù)，它為未來(lái)的家用服務(wù)機(jī)器人提供了發(fā)展平臺(tái)。研究者將這項(xiàng)技術(shù)同樣應(yīng)用于假肢研究，每個(gè)手指的重量不到42.5克是個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹芏啾唤刂呔褪且驗(yàn)榧僦谋恐夭槐愣艞壥褂?。目前，機(jī)械手尚無(wú)法熟練抓取鑰匙和餐叉之類的小物件，完成這些靈巧的動(dòng)作需要加裝額外的馬達(dá)，這將增加機(jī)械手的重量和復(fù)雜程度。研究者正在探索一種具有可反向拇指的新構(gòu)造以解決此問(wèn)題。

近三十年來(lái)，人們?yōu)榱烁纳茩C(jī)械手的功能而使其變得更加復(fù)雜，多拉爾和豪的研究成果為機(jī)器人學(xué)界開(kāi)拓了一個(gè)新思路，而這還有很長(zhǎng)的路要走。