11月29日，北京航空航天大學文力教授團隊在《Science Robotics》以Research Article形式發(fā)表了最新的研究成果“Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction”。該研究利用大拉伸液態(tài)金屬電路技術集成軟體機器人、結合章魚觸手彎曲傳遞運動模式以及可穿戴柔性觸覺裝置，提出并制作了傳感電路一體化章魚臂機器人樣機，實現(xiàn)了仿章魚的傳感、運動、環(huán)境交互操作方式。

這項研究涵蓋了多個研究領域，涉及生物學和機器人學等多方面的交叉。機械學院的博士畢業(yè)生謝哲新、博士生袁菲陽、劉嘉琦，碩士生田路峰為該文的共同第一作者。文力教授為該項目通訊作者。北京航空航天大學為該研究的第一單位、通訊單位。清華大學工程力學系，新加坡國立大學機械工程系為本研究的合作單位。

圖1 論文首頁（左）；《Science》官網(wǎng)圖片報道（中）；《Nature》官網(wǎng)News報道（右）

軟體連續(xù)體機器人的建模、感知及控制是機器人領域面臨的一項重要挑戰(zhàn)。軟體連續(xù)體本身具有較高的自由度和冗余度，對其非線性偏微分方程模型進行數(shù)值近似求解的速度和精度難以同時保證。而軟體連續(xù)體的環(huán)境感知則存在著傳感電路與機器人本體楊氏模量（<1Gpa）匹配難、功能結構分布設計難等問題。

自然界的柔性體生物為解決上述問題提供了靈感。章魚在抓捕獵物過程中，其細長的觸手采用一種獨特的“彎曲波傳遞”的模式接近目標，首先從根部彎曲，然后彎曲點沿著手臂向獵物傳播。一旦吸盤附著在目標上，其高靈敏度的觸手/吸盤神經(jīng)即會進行感知并快速捕獲目標。模仿生物章魚的這種獨特的捕食行為，可為軟體連續(xù)體機器人的感知和與環(huán)境交互提供參考。   

▍研究貢獻

通過實現(xiàn)類似章魚觸手具有高效柔性運動能力，靈敏的環(huán)境感知能力以及自主決策能力的軟體機器人系統(tǒng)，該研究主要做出三個貢獻。

1）為大變形軟體機器人集成具有多種傳感(例如彎曲、吸力、溫度)及自主信號處理能力的大拉伸電子系統(tǒng)。

2）根據(jù)章魚觸手彎曲傳遞運動啟發(fā)，提出簡單、高效的傳遞式柔性臂控制方式，使得具有近乎無限自由度和高冗余度的柔性觸手能夠通過單一手指進行控制。

3）提出基于大拉伸電子電路的可穿戴柔性觸覺裝置，用于感知和控制高冗余度仿生章魚臂，通過打通軟體機器人與人和環(huán)境的交互閉環(huán)，實現(xiàn)了更為自然和直觀的人機界面。

▍貢獻一：集成液態(tài)金屬電子系統(tǒng)的仿生章魚觸手抓持器

首先，通過利用液態(tài)金屬柔性電路，團隊賦予了大變形軟體機器人感知環(huán)境和自主決策的功能。研究團隊提出了基于液態(tài)金屬的柔性高延展電子皮膚剛度梯度設計方法，解決了彈性基底與硅基芯片在大變形狀態(tài)下易剝離的問題。經(jīng)過增強的簡單柔性電路單元在拉伸至710%的狀態(tài)下仍能正常工作，對集成傳感以及電子元件的復雜電路，其拉伸性也從140%提升到了360%。

Credit: 袁菲陽，謝哲新

這種增強的柔性電路不僅能夠在單一軸上承受大幅拉伸應變，而且還具備對多軸拉伸應變的適應能力。更為引人注目的是，這種柔性電路不僅僅被動地適應變形，而且能夠通過感知人的交互進行主動響應和相應的變形。這種智能化的柔性電路為軟體機器人的實時環(huán)境感知和主動決策創(chuàng)造了強有力的基礎。   

Credit: 袁菲陽，毛思哲，謝哲新

隨后，課題組在之前與Festo公司共同發(fā)布的仿生章魚觸手抓持器“Tentacle Gripper”（《Soft Robotics》，2020）的基礎上邁出了更為引人注目的一步。他們深入研究了生物章魚觸手及吸盤的神經(jīng)分布結構，充分借鑒了自然界的設計原理，將可感知多方向大變形的柔性電路與機器人緊密結合，成功制造出一款集纏繞/吸附功能、觸覺感知、自主決策于一體的仿章魚臂末端。

圖2：集成液態(tài)金屬電子系統(tǒng)的仿生章魚觸手抓持器

這一柔性電子集成化抓持器的研發(fā)不僅使得軟體機器人在高度變形的情況下仍能保持一致的自主信號處理功能，而且為軟體機器人系統(tǒng)注入了多樣化的感知能力。抓持器不僅可以實時感知自身的形變狀態(tài)，還能感知0-100℃的環(huán)境溫度，以及對55kPa-3000mPa硬度物體的吸附狀態(tài)，為機器人在復雜環(huán)境中作出實時決策提供了關鍵信息。例如，在一個復雜環(huán)境中，抓持器能夠利用自身的彎曲狀態(tài)感知與環(huán)境的接觸，進而避開障礙，隨后通過感知環(huán)境溫度來探測目標物的方位，最后通過吸附感知進行決策并握緊、關閉發(fā)熱的燈泡。   

Credit: 袁菲陽，陳勃翰，田路峰，付中強，毛思哲，謝哲新

▍挑戰(zhàn)二：高自由度軟體臂的仿生彎曲傳遞運動方式

研究團隊對章魚觸手的彎曲傳遞動作進行了生物觀測以及運動學分析，提取彎曲傳遞運動特征，從運動學上將章魚觸手彎曲傳遞行為分類為趨近（Reaching）和掃掠（Sweeping）兩種模式。

Credit: 陳勃翰

基于對生物彎曲傳遞運動特征的深入理解，研究團隊構建了仿章魚臂的“彎曲波傳遞”運動學模型，并在自主研制的高自由度軟體連續(xù)體機器人上得到驗證，實現(xiàn)了運動學快速求解（模型求解時間: 3ms），為連續(xù)體機器人的實時運動控制奠定了基礎。

Credit: 劉嘉琦

利用這種章魚特有的驅動方式，研究團隊實現(xiàn)了軟體臂在簡單高效的傳遞式驅動邏輯下的趨近（Reaching）和掃掠（Sweeping）運動模式。這種驅動方式的應用，結合液態(tài)金屬電子系統(tǒng)，使得仿生章魚觸手抓持器與多段軟體臂的組合可以在大范圍、不同方向和距離的情況下自動進行抓捕操作。

Credit: 劉嘉琦，袁菲陽，田路峰，付中強，謝哲新

圖3：傳遞式驅動邏輯下的趨近（Reaching）和掃掠（Sweeping）目標物抓捕

最為重要的是，這種驅動模式不僅能夠適用于具有任意段數(shù)的軟體臂控制，而且顯著降低了高自由度軟體臂控制的復雜度。

Credit: 劉嘉琦，袁菲陽，田路峰，付中強，謝哲新

▍貢獻三：基于可穿戴柔性觸覺裝置的人機交互新方式

另一方面，該研究還在可穿戴技術領域取得了顯著進展，研究團隊將大拉伸液態(tài)金屬柔性電路技術應用于可穿戴裝備，提出并制造了柔性觸覺指套，用于感知和控制仿生章魚臂，得益于傳遞式驅動的簡易邏輯，指套電路可以通過提取的手指姿態(tài)信息控制章魚臂的運動。   

Credit: 袁菲陽，劉嘉琦，田路峰，謝哲新

同時，指套電路與仿生章魚觸手抓持器電路進行無線通信，實現(xiàn)了彎曲抓取控制。指套內(nèi)側嵌有吸盤結構，當抓持器吸盤吸附上物體時，信號傳遞到指套時，指套內(nèi)嵌吸盤會產(chǎn)生負壓在手指上同步產(chǎn)生吸附觸覺，將機器人觸覺傳遞到人手。

Credit: 袁菲陽，田路峰，謝哲新

柔性指套的引入不僅為用戶提供了更直觀、自然的控制手段，而且通過無線通信與仿生章魚觸手抓持器實現(xiàn)了高效的協(xié)同作業(yè)。這種先進的交互方式為人機協(xié)同工作打開了新的可能性，尤其是在特殊環(huán)境或特殊任務需求下，例如無視覺環(huán)境，水下搜尋和抓捕等。這種仿生的高效控制方式不僅提高了機器人的靈活性，同時也為人類與機器人的深度融合提供了全新的途徑。

Credit: 袁菲陽，劉嘉琦，田路峰，付中強，毛思哲，謝哲新

Credit: 田路峰，劉嘉琦，袁菲陽，付中強，毛思哲，謝哲新

圖4：柔性觸覺指套控制仿生章魚觸手

這項研究工作揭示了生物“彎曲波傳遞”柔性抓捕新機理，突破了軟體連續(xù)體機器人-人-環(huán)境的感知及交互關鍵技術，為未來包括醫(yī)療輔助機器人，海底探測機器人，甚至仿生體外器官等在內(nèi)的的柔性機器人的交互式應用提供了新的前景與發(fā)展思路。

該項目得到了國家自然科學基金優(yōu)青項目，自然基金委共融機器人重大研發(fā)計劃課題,科技部重點研發(fā)項目等的支持。

論文pdf下載鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh7852  

Nature 報道鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03759-z

通訊作者文力為北京航空航天大學機械工程學院教授，研究方向為軟體機器人，仿生機器人，機器人智能，機器人感知。          

實驗室主頁：

http://softrobotics.buaa.edu.cn/

當前軟體機器人正迎來一個極具發(fā)展?jié)摿Φ男聲r代。正如本文的研究，通過不斷突破技術壁壘，深入研究相關理論并關注實際應用，成為了推動該領域發(fā)展的關鍵。隨著科技的進步和應用領域的不斷拓展，軟體機器人領域將繼續(xù)繁榮，為人類社會帶來前所未有的創(chuàng)新和價值。

來源：機器大講堂