在机器人领域，一个看似简单却始终困扰工程师的难题是：如何让机器手指既“有力”又“温柔”？

传统刚性机械手虽力量强劲，响应迅速，能稳稳抓起沉重工件，但在面对豆腐、薯片或蛋黄时往往束手无策，稍一发力就会造成破损；而近年来兴起的软体机械手虽然具备出色的柔顺性和安全性，能够适应各种不规则形状，却因材料本身强度不足，难以承担较大负载，限制了其在实际场景中的应用。尤其在服务、医疗和农业等需要高度灵活性与安全性的领域，这一矛盾尤为突出。

近日，来自中国地质大学（武汉）自动化学院的机器人团队针对这一技术瓶颈取得突破性成果。他们从人类手指的精妙结构中汲取灵感，设计出一种具有刚-柔-软复合结构的仿人手指，实现了高强度、高适应性与高安全性的完美统一。该成果以“Humanoid finger with rigid-flexible-soft structure”为题，在线发表于期刊《Nature Communications》上。论文第一作者为博士生吕播阳和肖怀，通讯作者为孟庆鑫教授和吴俊东教授，第一完成单位为中国地质大学（武汉）自动化学院。

▍ 向最灵巧的“自然之手”学习

人类手指是自然界进化出的高效操作器官，其卓越性能源于多层级结构的协同作用：坚硬的指骨提供支撑力和抗变形能力，关节处的软骨与韧带赋予灵活弯曲与自动复位功能，而外层的肌肉与皮肤则提供柔顺的输出力，确保接触面柔软贴合，既能增大摩擦防止打滑，又能保护脆弱物体不受损伤。这种刚、柔、软三位一体的设计，成为研究团队的核心灵感来源。

基于此，刚-柔-软仿人手指被构建成一个集成系统——内部由3D打印的轻质PLA管状骨骼构成主承力结构，保证整体刚度与稳定性；关节部位嵌入定制的双扭簧柔性元件，在实现类似人手指90°向内弯曲的同时，有效抵抗横向或反向的非自然形变；外部包裹一层高弹性、高摩擦系数的硅胶皮肤，提升对不同材质物体的抓握可靠性。整个结构通过一个紧贴骨骼的气动薄膜驱动器进行控制，当腔内气压降低时，薄膜收缩带动骨骼向内弯曲，模拟人手屈肌动作，完成抓取。

刚-柔-软结构灵感来源于人类手指

▍ 能轻柔夹起蛋黄，也能托起超过自身20倍重量的重物

为了全面评估所设计的刚-柔-软仿人手指的性能，研究团队构建了两指、三指机械手以及五指仿人机械手，并开展了一系列极具挑战性的实验。结果显示，这款机械指真正做到了“刚柔并济”。

在重量层面，两指机械手从轻柔地抓取12.1克的小番茄开始，最终成功抓取了重达1125.2克的3D打印耗材。同样，三指机械手不仅能轻柔地抓取14.7克的生鸡蛋黄而不损坏，还能牢牢地握住1254.5克的卷心菜。在尺寸层面，两指机械手能稳稳夹起一张厚度仅0.1毫米的A4打印纸，也能抓取25.0厘米长的3D打印棒。三指机械手能夹起从0.6厘米直径的铅笔到24.3厘米直径的柔软且易破的气球。

安装有刚-柔-软仿人手指的机械手可从容应对“从轻到重”“从小到大”的物品抓取

五指仿人机械手不仅可以实现“托”“握”“提”等仿人抓取模式，甚至能支撑总重5.275公斤的箱子，相当于自身体重（260克）的近20倍，其“承载能力/自重比”达到惊人的2028.9%。

五指仿人机械手可以实现“托”“握”“提”仿人抓取模式

▍ 多维度验证仿人手指的卓越操控能力与抓取可靠性

在实际操作场景中，机器人手指往往需要面对形态各异、质地多变的物体，尤其在处理超薄、易碎或表面光滑的物品时，极易因接触不稳或施力不当导致滑脱或破损。为全面评估刚-柔-软仿人手指在复杂任务中的表现，研究团队设计了一系列高难度精细操作实验，充分展现了其在顺应性、稳定性和可靠性方面的突出优势。

在针对柔软脆弱物体的测试中，研究人员使用基于刚-柔-软仿人手指的两指机械手对一块质地松软的豆腐进行了连续20次重复抓取实验。整个过程中，机械手能够轻柔而准确地将豆腐从平台拾起，悬停数秒后平稳放回，动作流畅且无剧烈振动。通过对比抓取前后的表面状态和质量变化发现，豆腐表面未留下明显压痕，质量损失仅为0.06克，几乎可以忽略不计。这一结果充分证明了刚-柔-软仿人手指具备极高的接触顺应性，能够在不损伤物体的前提下实现安全、可靠的抓握，展现出接近人类手指的操作细腻度。

两指机械手连续抓取豆腐实验

为进一步检验其在非理想姿态下的适应能力，研究团队还开展了一项多角度动态抓取实验，对象是一片薄脆的薯片。实验要求机械手从后右方、正右方、前右方、斜上方以及正上方五个不同方向依次完成抓取与释放。尽管薯片形状不规则、结构强度极低，且每次抓取接触面均存在差异，刚-柔-软仿人手指仍能依靠柔软硅胶外皮的贴合特性与气动驱动的柔性响应，自适应调整接触状态，施加恰到好处的夹持力，成功实现全程无损操作。在整个过程中，薯片始终保持完整，未出现断裂或掉落现象，充分体现了该手指在动态、非结构化环境中对超脆性物体的强大操控能力。

两指机械手多角度抓取薯片实验

▍ 结语

随着人形机器人逐步从工厂走向家庭、从结构化环境迈向真实世界，其末端执行器的性能正成为决定其“类人能力”的关键瓶颈。该研究成果为人形机器人的手部结构提供了一种新的思路，它不仅赋予机器人手指级别的精细操控力，更实现了在不同任务间自由切换的通用性。未来，当这类具备刚-柔-软复合特性的仿生手指集成于人形机器人双臂系统中，它们将能够自主完成端茶倒水、整理衣物、开关抽屉等复杂家居任务，甚至可在突发情况下安全地协助老人或儿童，真正实现与人类共融共处的智能交互。

更重要的是，随着材料优化与感知融合技术的进一步发展，这类仿生手指还能够集成触觉反馈、温度感应与自适应学习能力，推动人形机器人从能“做”向能“做好”迈进。

论文信息：Lyu, B., Xiao, H., Meng, Q., Wu, J., Wang, Y., She, J., Fukushima, E. Humanoid finger with rigid-flexible-soft structure. Nature Communications. 16, 9905 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65367-x