突破传统软体机器人痛点！剑桥大学超强“自愈合抓手”问世，还能回收利用！

2023-12-200机器人技术及应用

看看这坨像麦芽糖一样的物体，猜猜这是啥？

答案揭晓：这竟然是个机器人抓手。

定位到物体上方，下落，待包裹住物体后，再稳稳当当的抓起来。

别看外表其貌不扬，它抓各种形状的物体都不在话下：

更令人意想不到的是，它还有超强的自主愈合能力！一旦破损，可以在9分钟内自主愈合！

抓个仙人掌试试：

有点意思，再抓个海胆：

这是剑桥大学和布鲁塞尔大学共同提出的最新研究，他们合成了一种智能自愈合材料，然后制成了软体机器人抓手，不仅能适应多种形状物体抓握，还实现了机器人的全自主自愈合，突破了传统软体机器人易损伤、寿命短的痛点！

▍自愈——解决软体机器人的致命弱点

说到机器人抓手，你首先会想到这种：

相比传统的刚性抓手，软体机器人抓手因其固有的柔顺性和减震性可以保护机器人免受机械冲击，柔性材料越来越多地被用于制造软体机器人。

“柔软”的优点显而易见：适应性强、灵活性强，可以有效、安全地抓取各种物体。

但它的缺点却为其增加了局限性：主体由软材料组成，导致使用寿命非常有限，特别是在非结构化、具有潜在危险的复杂环境中操作时，表面容易被外界环境所破坏，极大地影响其工作效率，甚至导致其完全丧失抓取能力。

如果软体机器人获得了“自愈超能力”，就像漫威英雄一样刀枪不入，不就能完美的解决以上问题了吗？

研究团队针对这一问题，提出了“自愈合万能抓手”（SHUG）的设计，包含两部分：柔性可变形的自愈外壳，和填充空腔的钢球颗粒。

“自愈合抓手”被连接到机械臂 Franka Emika 上，利用气阀控制空腔内部的真空压力，当抓手覆盖住物体时，真空压力不断增加，直到整个抓手牢牢地包裹（夹紧）。

软体抓手的“外壳”是唯一与环境直接接触的“交互界面”，因此在存在尖锐物体或表面的情况下，它是最脆弱的部分。

针对于这一问题，研究人员合成了具有热可逆条件下的共轭狄尔斯-阿尔德键（Diels-Alder）聚合物，它具有优异的机械强度和在中等温度 (60–70 °C) 下可靠的愈合能力，简单来说，只要升到愈合温度，它就能重塑自己。

研究人员对其进行了测试，无论是刀割、刺穿还是撕裂，这种聚合物材料都能在9分钟内愈合伤痕。

▍无需人为干预，受伤后自主愈合

只有可愈合的材料还不够，要想实现“自主”自愈，需要精细的热量和温度控制，机器人还需具备以下能力：

1.主动检测损伤；

2.定位伤口位置；

3.自主加热伤口部位（愈合温度70℃）；

4.愈合后的自评估；

为此，研究人员设计了整个系统的上游传感反馈和下游控制，包括机器人机械手、夹具的气动开关和嵌入式加热元件。通过在夹具中嵌入闭环受控的加热器，从而实现自愈合自动化。

当抓手被割伤时，气密性的完整性会遭到破坏，为了检测这种损伤，“自愈合抓手”采用压力传感器来监测由损伤引起的任何压降。

一旦检测到损坏，主机向机械臂发送命令，指示其转向特定方向（上下颠倒），以最大限度地提高钢球和加热器之间的接触，也防止钢球从裂痕处泄露。

随后，加热元件被激活，钢球温度随之升高到所需的“愈合温度”，然后进行受控的加热-冷却循环。

整个工作流程，包括损坏检测、伤口定位和温度调节，全部都是机器人自主执行的，无需任何外部人工干预，愈合过程大概需要9分钟，每次“自愈”后，机器人都像崭新的一样，完全没有留下任何“疤痕”。

在实际物理制造和实验之前，研究团队还基于有限元分析的优化对“自愈合抓手”设计进行了优化，定义了最合适的覆盖层厚度和机械强度。此外，通过优化足够的密度、流动性和导热性的组合，研究人员选择了钢球作为填充颗粒，因为它与加热器能够产生有效的热传递，这对于“软壳”的热愈合过程相当重要。

▍研究者介绍

这项研究由英国剑桥大学工程系仿生软体机器人实验室Fumiya Iida教授团队联合比利时布鲁塞尔自由大学（VUB）、比利时微电子研究中心（Imec）的Bram Vanderborght教授团队合作完成，相关研究成果发表在Advanced Intelligent Systems（先进智能系统）期刊中，标题为：“Self-Regulated Self-Healing Robotic Gripper for Resilient and Adaptive Grasping（用于弹性和自适应抓取的自调节自愈机器人抓手）”。