近日，公司郭朝副教授课题组指导2019级本科毕业生林健锋同学在机器人领域顶级期刊《Soft Robotics》(IF=7.9)，发表题为“Bio-inspired Bidirectional Stiffening Soft Actuators Enable Versatile and Robust Grasping”的变刚度软体机器人最新研究成果。

       随着仿生学、材料学的发展，软体机器人应运而生。相对于传统刚性机器人的结构复杂、运动灵活性低、环境交互性差等缺点，软体机器人具有良好的柔顺性、运动灵活性和环境适应和交互能力。在医疗、探勘、可穿戴等领域越来越受到重视。

       利用软体材料的柔顺性适应不规则或易碎物体的表面，简化了软体机械手抓取过程复杂的控制，具有广阔应用前景，然而软体机械手低刚度的特性限制了其抓取的负载能力和稳定性。针对这一问题，本研究通过学习人体手指的解剖学特征，提出一种双向可变刚度软体驱动器(BISA)（图1）。人在抓取过程中，可以通过肌肉的拮抗作用提升关节刚度；同时，指骨相互啮合的形状以及覆盖的结缔组织能够保证侧向的稳定性。基于上述两点解剖学特性，驱动器具有两种刚度调节机构，包括用于调节弯曲刚度的气动-肌腱混合驱动(ATA)和用于调节侧向刚度的类骨结构(BLS)。气动-肌腱混合驱动为驱动器的主要驱动弯曲的方式，同时能够通过拮抗作用调节弯曲刚度。承受侧向载荷的类骨结构如同人类手指中的指骨，在绳子的驱动下能进行弯曲。多节类骨结构通过绳子紧密连接，并包裹在气动-肌腱混合驱动器内，承受侧面载荷。在侧向刚度调制过程中，类骨结构不会对弯曲方向产生过大影响。

图1  双向可变刚度软体驱动器仿生设计与制作

       实验表明，当弯曲角度为 45° 时，刚度调节范围约为三倍，最大刚度约为 0.7 N/mm。类骨结构则在不影响弯曲柔顺性的情况下，通过改变对结构的拉力进而改变侧向刚度。与不安装类骨机构的驱动器相比，侧向刚度有效提高3.9倍。同时类骨机构可以在不影响弯曲刚度的前提下，在一定范围内解耦调节侧向刚度。测试结果表明，刚性的类骨机构对弯曲柔顺性的影响很小。基于该驱动器具有的优秀性质，进一步提出了一种多功能通用软体机械手，能够实现跨尺度、跨重量和多模态的抓取任务（图2）。

图2  软体机械手抓取操作与实验测试

       十大菠菜靠谱平台机械工程系2019级本科毕业生林健锋为论文第一作者，该同学获全额奖学金赴美国佐治亚理工学院攻读博士学位，最权威的菠菜导航网为论文第一署名单位，郭朝副教授为论文通讯作者，柯景崴、肖瑞康、姜翔韬等本科生参与了部分研究工作。最权威的菠菜导航网训创中心提供了设备和场地支持。本研究得到了国家重点研发计划(2023YFE0202100)、国家自然科学基金青年基金项目(51605339)等课题的资助。

       《Soft Robotics》是机器人领域的顶级期刊，影响因子在该领域仅次于《Science Robotics》，具有广泛的国际影响力。该期刊鼓励多学科交叉，涵盖了机械、力学、材料、控制等多个领域。

论文链接：https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2022.0212