抓稳：壁虎如何启发机器人技术

• 受壁虎启发，研究人员得以开发出一种新型机器人夹爪。

• 研究人员致力于开发一种兼具灵巧性和力量的装置。

• 测试中，研究人员展示了 farmHand 能够处理各种各样的物品，包括生鸡蛋、葡萄串、盘子、装有液体的壶、篮球，甚至角磨机。

研究人员旨在打造一种兼具精巧力量的机器人夹爪，于是将基于壁虎脚趾的黏附材料与定制机器人手相结合。

在种类繁多的机器人手和夹具中，有一个共同的棘手对象：传家宝番茄。你可能见过机器人夹爪灵巧地夹起鸡蛋，或稳稳托住篮球；但与人手不同，同一个夹爪不太可能两者兼顾。关键挑战藏在两者之间。

“你会看到机器人手完成力量抓握和精确抓握，然后似乎暗示它们也能完成两者之间的所有操作，”斯坦福大学仿生与灵巧操控实验室（又称“农场”）前研究生 Wilson Ruotolo 说。“我们想解决的问题是，如何打造兼具灵巧性和力量的操控器。”

这一目标催生了 farmHand。这款机器人手由工程师 Ruotolo 和仿生与灵巧操控实验室研究生 Dane Brouwer 开发。他们在一篇发表于《Science Robotics》的论文中详细介绍了这项工作。

测试中，研究人员展示了 farmHand 能够处理各种各样的物品，包括生鸡蛋、葡萄串、盘子、装有液体的壶、篮球，甚至角磨机。

手部近景：它以高度过伸的捏持方式，仅夹住鸡蛋的顶部表面。Image: 仿生与灵巧操控实验室

“FarmHand 擅长抓握，但不会粘手”

FarmHand 融合了两种生物学灵感。它的多关节手指让人联想到人手——尽管只有四根手指——指尖则覆有受壁虎启发的黏附材料。

这种抓得牢却不粘手的材料，其结构仿照壁虎脚趾。研究人员过去十年来一直在研发这种材料。

首次将壁虎黏附材料用于多指仿人夹爪颇具挑战。研究人员必须特别关注控制 farmHand 手指的肌腱，以及黏附材料下方指垫的设计。

与壁虎脚趾类似，壁虎黏附材料通过微观鳞片形成牢固抓握。当这些鳞片与表面完全接触时，会产生范德华力——一种微弱的分子间作用力，源于分子外侧电子位置的细微差异。因此，这种黏附材料无需施加多大实际力量，就能牢牢抓住物体。它还有一个优点：摸起来不粘，也不会留下残留物。

“壁虎黏附材料最初用于攀爬机器人、帮助人攀爬，或抓握非常大、非常光滑的物体，包括太空中的物体。但我们一直也在考虑将它用于更贴近日常生活的场景，”领导这项研究的资深作者、工程学院教授 Mark Cutkosky 说。“问题在于，事实证明壁虎黏附材料其实相当挑剔。”

所谓挑剔，是指壁虎黏附材料必须以特定方式接触表面，才能激活范德华力。将它平整地贴在平面上时，这一点还算容易控制；但如果像 farmHand 那样，需要多个壁虎黏附片以不同角度接触物体才能抓握，控制起来就困难得多。

捏持出色

在黏附材料下方，farmHand 的指垫有助于应对这一挑战。指垫采用可塌缩的肋状结构，轻微受力便会弯曲。无论接触位置或角度如何，肋条都会以稳定的方式弯曲，从而确保黏附垫受力均匀，避免任何一块垫片过早打滑。

“推动这些肋条时，无论从哪个位置开始，弯曲产生的力量都相近，”Brouwer 说。“这是一种简单的物理特性，也可以用于机器人以外的领域，比如鞋底纹路或全地形轮胎。”

手部肌腱也至关重要，因为它们能实现高度过伸的捏持。许多机器人手和夹具会以“C”形捏住物体，就像只用指尖夹起东西；farmHand 则让指尖末端的指垫彼此贴合来捏持。这样一来，黏附材料便有更大的接触面积。

要把设计调整到位尤其困难，因为现有计算机模拟难以预测软质物体在现实中的表现——这也是传家宝番茄问题的一个因素。

不过，研究人员能够以相对快速的迭代周期进行 3D 打印，并测试许多硬质和软质塑料部件，这让他们受益匪浅。他们甚至认为，如果只早五年，这项工作或许无法成功，至少进展会慢得多。

未来可以为 farmHand 增添反馈功能，让用户在使用过程中了解它如何抓握，以及如何改善抓握效果。研究人员也在考虑这项工作的商业应用。

这项工作由丰田研究院和斯坦福研究生奖学金资助。