斯坦福工程师开发了一种具有壁虎式抓地力的机械手

一只手的特写镜头，仅在鸡蛋的顶部表面进行高度过度伸展的捏合。图片来源：仿生学和灵巧操作实验室。

在大量机械手和夹具中，有一个共同的难题：软物体如何不收挤压的拿放。您可能已经看到机器人抓手灵巧地采摘鸡蛋或平稳地握住篮球——但是，与人手不同，一个抓手不太可能同时做到这两点。

斯坦福大学仿生学和灵巧操作实验室的前研究生威尔逊·罗托洛(WilsonRuotolo)说：“你会看到机械手进行强力抓握和精确抓握，然后暗示它们可以做任何事情。”“我们想要解决的是如何创造既灵巧又强大的操纵器。”

这个目标的结果是“farmHand”，这是一种由工程师Ruotolo和DaneBrouwer开发的机械手，他是斯坦福大学仿生学和灵巧操作实验室的研究生（又名“农场”），并在12月15日发表的一篇论文中进行了详细介绍在科学机器人。在他们的测试中，研究人员证明了farmHand能够处理各种各样的物品，包括生鸡蛋、葡萄串、盘子、罐装液体、篮球甚至角磨机。

FarmHand受益于两种生物灵感。虽然多关节的手指让人联想到人类的手——尽管是四指——但手指上涂有壁虎风格的粘合剂。这种抓地力但不粘的材料基于壁虎脚趾的结构，由仿生学和灵巧操作实验室在过去十年中开发，由斯坦福大学工程学院的弗莱彻琼斯教授MarkCutkosky领导，他也是资深作者这项研究的。

首次在多指拟人抓手上使用壁虎粘合剂是一项挑战，这需要特别注意控制farmHand手指的肌腱以及粘合剂下方的指垫设计。

从农场到太空再返回

就像壁虎的脚趾一样，壁虎粘合剂通过微小的皮瓣产生牢固的固定。当与表面完全接触时，这些襟翼会产生范德华力——一种微弱的分子间力，由分子外部电子位置的细微差异引起。因此，粘合剂可以牢固地抓握，但需要很少的实际力来做到这一点。另一个好处：它们摸起来不会发粘或留下残留物。

“壁虎粘合剂的第一个应用与攀爬机器人、攀爬人或抓取空间中非常大、非常光滑的物体有关。但我们一直在考虑将它们用于更实际的应用，”卡特科斯基说。“问题是事实证明，壁虎粘合剂实际上非常挑剔。”

FarmHand经历了一系列操作，展示了其多样化的性能能力。

大惊小怪的是，壁虎粘合剂必须以特定方式与表面连接，以激活范德华力。当将它们平滑地涂抹在平坦的表面上时，这很容易控制，但当抓握依赖于多个壁虎粘合剂贴片以不同角度接触物体时，例如使用farmHand，则要困难得多。

挤压和屈曲

在粘合剂下方，farmHand的指垫有助于应对这一挑战。它们由可折叠的肋骨结构制成，只需很小的力即可弯曲。无论接触的位置或角度如何，肋条始终弯曲，以确保粘合垫上的力相等，并防止任何一个过早滑动。

“如果你移动这些肋骨，无论你从哪里开始，屈曲都会产生类似的力，”布劳威尔说。“这是一种简单的物理行为，甚至可以部署在机器人技术之外的空间中，例如鞋面或全地形轮胎。”

手的肌腱也很重要，因为它们可以实现过度伸展的捏合。虽然许多机器人手和夹子会以“C”形夹住物体，就像只用指尖捡起东西一样，但farmHand用手指的末端按着垫子来捏住。这为粘合剂提供了更多的表面积。

使设计恰到好处尤其困难，因为现有的计算机模拟很难预测软物体的真实性能——这是传家宝番茄问题的另一个因素。但研究人员从能够以相对较快的周期进行3D打印和测试许多硬塑料和软塑料组件中受益匪浅。他们甚至暗示，仅仅在五年前，他们的成功可能是不可能的——或者至少要慢得多。

对farmHand的进一步改进可能会以反馈功能的形式出现，这将帮助用户了解它的抓握方式以及在使用时如何更好地抓握。研究人员还在考虑将他们的工作用于商业应用。

负载共享验证

具有递减刚度的接触面以及刚刚描述的运动控制考虑因素在基于机器人操作系统(ROS)的基础设施中进行了测试（参见材料和方法和文本S4）。验证侧重于负载共享和操作测试。将手安装到UniversalRobotsUR5协作机器人手臂后，使用简单模式（算法1）在指骨之间应用受控偏移，同时测量传感线性导轨系统上产生的剪切力。偏移以受控方式模拟如果手在物体上闭合时未对齐，或者如果对物体施加不均匀的力，通常会发生什么。上图显示在举重任务中间的手，两个手指之间有偏移。下面针对低、中和大偏移量绘制了递减肋结构和泡沫控制样本的相应数据。

顶部：从负载共享测试视频和相关测试数据图中捕获的帧。首先接合指骨A，应用偏移，然后在最终加载之前接合指骨B。这导致A上的肋骨比B上的肋骨出现更多的递减屈曲，但剪切力没有显着差异。一排图显示在三个不同偏移值下使用递减肋结构的结果，第二行显示使用非递减泡沫背衬控制运行的相同测试。在存在初始位移偏移的所有情况下，递减结构在两个指骨上的剪切力差异显着小于泡沫。

操控性能

操纵测试。(A)一个鸡蛋仅被夹在暴露的顶部边缘，显示了过度伸展的捏握及其在粘合方案中的效用的夸张示例。（B）仅用远端指骨挤压和旋转厚板，显示超伸挤压增加的扭矩容量。(C)用欠驱动的包络动作抓住一串不规则的葡萄。(D)葡萄和苹果被抓在一起，展示了手指的独立控制。(E)角磨机被抓握有足够的刚度以确保操作安全。（F）通过在双捏握把中重新定向胡萝卜来演示手部操作。(G)以低包角抓住大盒子，展示粘合性能。(H)一个沉重的橙汁容器被抓住并以高扭矩旋转，依靠递减屈曲来分担负载。