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如何让机器人灵活地抓东西?德美科学家向壁虎学习粘附法

发表时间: 2017-06-09 16:49:37

作者: 广东锦科科技有限公司

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霍金近来一直很担心机器人会“反攻人类”,但其实,机器人现在还应付不了一些小婴孩都会做的任务:比如拿起一个小番茄。抓东西这个动作看似简单,但其中涉及到的力的分配、协作十分精巧,可以意会而难以复制。如果工程师要让机器人给人类拿来一个小番茄,不仅要量身定制复杂的程序,还得时刻准备好打扫残局:八成机器人不是把番茄砸到地上,就是把番茄捏成番茄酱了。

霍金近来一直很担心机器人会“反攻人类”,但其实,机器人现在还应付不了一些小婴孩都会做的任务:比如拿起一个小番茄。抓东西这个动作看似简单,但其中涉及到的力的分配、协作十分精巧,可以意会而难以复制。如果工程师要让机器人给人类拿来一个小番茄,不仅要量身定制复杂的程序,还得时刻准备好打扫残局:八成机器人不是把番茄砸到地上,就是把番茄捏成番茄酱了。

但科学家们一直很善于向自然界中的“老司机”学习。这次,他们找到的“老司机”是壁虎。近日,来自德国马克斯普朗克智能系统研究所和美国卡内基梅隆大学的一个联合团队,模拟壁虎脚掌的粘附力,设计了一款曲面粘附材料,用于制作“柔软”的机械抓手。相关论文发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上。

别说稳稳当当地抓牢一个番茄了,壁虎这种神奇的动物能自如地在墙上、甚至是天花板上游走,仿佛墙壁和它们的脚掌之间存在一种神秘的力量。

这种神秘的力量就是范德华力。在一个原子中,带负电荷的核外电子会抵消掉原子核的正电荷,因而原子整体上呈电中性。然而,由于核外电子处于不停的运动之中,在某些瞬间,原子的两侧电子分布不均,就会产生极性。如果两个原子靠得足够近,就会因为这种极性而产生互相吸引力,即范德华力。

此前,科学家们也不是没想过利用超细纤维的合成阵列来模拟壁虎的粘附力。不过,这种材料需要背后有像球拍一样的硬质背衬施加压力,这就大大限制了材料在曲面上的发挥空间。

这次,德美联合团队成功克服了该限制。他们在可拉伸的薄膜上设计了超细纤维阵列,称之为“薄膜上的纤维状粘附剂”(FAM),并为此设计了独特的背衬。

该团队设计的柔软机械抓手形似一个浅口漏斗,表面被FAM粘附材料覆盖。漏斗的颈口连着一个气泵。一旦FAM触及平面或曲面物体,气泵就会抽出漏斗中的空气,漏斗的圆锥结构迅速扁平下去,材料紧密贴合物体的轮廓。而向漏斗中充气,抓手就会松开物体。

该结构能以2.5平方厘米(硬币大小)的接触面积抓起300多克的物体(约一听可乐)。在测试中,它能从外壁、内壁、把手处抓起咖啡杯,能无伤地抓起一个圣女果,也能抓起一包薯片。

未参与实验的加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)机械工程师图纳(Kimberly Turner)认为,该领域过去只关注纳米级的纤维,而没有着眼于背衬。“设计背衬是此类粘附材料走向实用的关键。”他说道。

论文作者之一西提(Metin Sitti)介绍了该结构的一些应用潜力:让机器去参与组装一些形状比较复杂的精密部件,比如汽车部件;让机器去抓取器官组织;让负责检查和维修的机器人轻松爬进飞机或核电站内部。

UCSB的霍克斯(Elliot Hawkes)也在研究仿壁虎的抓取机器人。他指出,此类设计若要走向实用,需满足三个条件:一是够耐用,可以抓取、放下物体成百上千次;二是够规模,起码要能抓起1公斤的物体;三是和机械钳、吸盘等设计比起来,性价比要够高。


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