壁虎式粘合劑有助于柔軟的機(jī)器人手指獲得更好的抓地力

加利福尼亞州的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人抓手，它結(jié)合了壁虎腳趾的粘性特性和氣動(dòng)軟機(jī)器人的適應(yīng)性，可以抓住比現(xiàn)有技術(shù)更多種類(lèi)的物體。

研究人員將于5月21日至25日在澳大利亞布里斯班舉行的2018年機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議上展示他們的研究成果。該夾具可以舉起45磅。并可用于從工廠車(chē)間到國(guó)際空間站的各種環(huán)境中抓取物體。

壁虎被稱(chēng)為大自然最好的登山者，因?yàn)樗麄兊哪_趾上有一個(gè)精致的抓握機(jī)制。在之前的工作中，斯坦福大學(xué)和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員用一種稱(chēng)為壁虎式粘合劑的合成材料重建了這種機(jī)制。這種材料主要用于墻壁等平面。在當(dāng)前的工作中，研究人員與加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師聯(lián)手。該團(tuán)隊(duì)用柔軟的機(jī)器人手指涂上了壁虎粘合劑，使其能夠更牢固地抓住各種物體，包括管道和馬克杯，同時(shí)仍然能夠處理像巖石這樣的粗糙物體。夾持器還可以抓住各種位置的物體，例如以許多不同的角度夾持杯子。

研究人員證明，抓手可以抓住和操縱粗糙，多孔和骯臟的物體，如火山巖 - 這一任務(wù)通常對(duì)壁虎粘合劑具有挑戰(zhàn)性。它還能夠拾取大型圓柱形管道 - 這是軟機(jī)器人夾具通常很難完成的任務(wù)。

壁虎是大自然中最好的登山者之一，這得益于數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的微小毛發(fā)，其特征比人類(lèi)頭發(fā)小20至30倍，幾乎可以在任何表面上攀爬。頭發(fā)以微小的納米結(jié)構(gòu)結(jié)束，在原子水平上與壁虎試圖抓住的表面上的分子相互作用。這種相互作用由所謂的范德華力驅(qū)動(dòng)，使得壁虎的腳趾可以根據(jù)需要輕松地附著和分離。JPL的研究人員使用合成材料和類(lèi)似的微觀特征陣列來(lái)利用范德華力的力量，并表明這些粘合劑保留了許多與激發(fā)它們的動(dòng)物腳趾相同的特性。

由于壁虎粘合劑由表面之間的分子相互作用提供動(dòng)力，因此當(dāng)它們具有大的接觸表面積時(shí)它們效果最佳。用這些粘合劑涂抹軟機(jī)器人手指的內(nèi)部可以最大化它們接觸的表面積，確保更好的抓地力。

工程團(tuán)隊(duì)在本文中解決了兩個(gè)不同的問(wèn)題。

首先，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員著手確保抓手的手指與任何物體表面保持恒定接觸。氣動(dòng)軟指的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是它們?cè)诔錃鈺r(shí)往往會(huì)在中間凸出，從而減少了這種表面接觸。

Glick在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)研究，提供了在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決問(wèn)題所需的方程式。這使研究人員能夠使抓手沿著整個(gè)手指長(zhǎng)度施加正確的力。

其次，研究人員專(zhuān)注于在不平坦的表面上分布力，以優(yōu)化壁虎式粘合劑的性能。研究人員找到了一種沿著柔軟，柔韌的夾具分布力的方法，同時(shí)保持了粘合劑所需的制造精度。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用嵌入手指中的高強(qiáng)度織物來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該織物可以輕松彎曲但抵抗拉伸以支撐更大的負(fù)載。指狀物剛性地夾在基座上，這使易拉伸的硅樹(shù)脂不會(huì)變形超過(guò)所需的程度。這種柔軟和堅(jiān)硬材料的結(jié)合使夾具能夠承受許多物體，同時(shí)承受很大的力。

壁虎粘合劑本身是通過(guò)三步法制成的。使用光刻工藝在潔凈室中制造具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)微觀結(jié)構(gòu)的原始主壁虎粘合劑模具。然后，可以以低成本制造母模的蠟副本。然后，研究人員可以通過(guò)使用稱(chēng)為旋涂的工藝，從蠟?zāi)Ｖ兄谱鞅M可能多的粘合片副本。這允許它們?cè)谝恍r(shí)內(nèi)制成10到20個(gè)粘合片。同時(shí)，柔軟的機(jī)器人抓手本身采用3D打印模具鑄造而成，并由硅基橡膠制成。

該研究的后續(xù)步驟包括開(kāi)發(fā)利用粘合劑的抓取算法，并研究該夾具在零重力和空間操作中的使用。