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  軟體機(jī)器手具有很好的柔軟性和可適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變形，在人-機(jī)器人以及環(huán)境-機(jī)器人的交互應(yīng)用中，可以有效避免對(duì)人和物品等造成可能的傷害和損壞；更重要的是，軟體機(jī)器手能夠在較為簡(jiǎn)單的控制策略下，輕松實(shí)現(xiàn)與復(fù)雜形狀的物體的貼合（共形）接觸。因此，能夠靈巧的抓取物體軟體機(jī)器手近來受到人們廣泛關(guān)注。

  近日，美國(guó)密歇根州立大學(xué)曹長(zhǎng)勇教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種智能軟體機(jī)器手及其軟體執(zhí)行器。該智能軟機(jī)器手基于摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）以及繩線（肌腱）驅(qū)動(dòng)方式，具有快速響應(yīng)、精確控制、自供電式的壓力和彎曲感應(yīng)功能、以及能量收集功能等特點(diǎn)（圖1）。手指狀軟體執(zhí)行器采用模塊化設(shè)計(jì)，通過微型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引內(nèi)部繩線從而使機(jī)器人手指產(chǎn)生彎曲變形，并依據(jù)人手指的構(gòu)型，軟體手指通過多個(gè)三角形切口將彈性體分段從而有利于彎曲以及與目標(biāo)物體的共形接觸。摩擦皮膚貼片表面排列有微型金字塔結(jié)構(gòu)，具有高靈敏度以及較高的表面兼容性，并可以通過TENG自發(fā)電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)接觸壓力信號(hào)監(jiān)測(cè)，包括接近、碰觸和壓力感應(yīng)。該設(shè)計(jì)中，安裝于手指執(zhí)行器內(nèi)腔的摩擦起電片通過一對(duì)接觸片間的接觸程度大小來反饋其彎曲狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，裝有摩擦納米發(fā)電機(jī)構(gòu)件的智能軟體抓手可以輕松實(shí)現(xiàn)手指表面接觸壓力與彎曲程度的信號(hào)監(jiān)測(cè)以及能量收集。此外，該抓手可進(jìn)一步反饋其實(shí)際抓取過程（接近，抓取與緊握，以及張開與釋放等）中的狀態(tài)，并且進(jìn)行基本的判斷并識(shí)別抓取物體的輪廓特征以及重量。該軟機(jī)器手能夠拾取各種物體，同時(shí)提供感官反饋并產(chǎn)生電能，未來在機(jī)器人-人和機(jī)器人-環(huán)境交互應(yīng)用中將具有巨大的潛力。

圖1. 智能軟體機(jī)器手通過摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）實(shí)現(xiàn)接觸力以及彎曲程度實(shí)時(shí)信號(hào)監(jiān)控和能量收集，可以實(shí)現(xiàn)果蔬采摘和篩選。

圖2. 設(shè)計(jì)與制備帶有摩擦起電皮膚Tribo-Skin的智能手指狀軟體執(zhí)行器。（a）裝備有摩擦起電皮膚與內(nèi)部摩擦納米發(fā)電機(jī)片的可用于能量回收以及傳感的繩線式執(zhí)行器的設(shè)計(jì)示意圖。（b）裝配完成的軟體指狀執(zhí)行器。（c）執(zhí)行器主體的制造過程示意圖。（d）摩擦起電皮膚貼片的制造過程示意圖。（e）未噴涂銀納米線電極的軟體皮膚貼片。（f）通過在摩擦起電皮膚表面排列微型金字塔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)其摩擦起電性能。（g）PTFE薄膜上的噴涂的銀納米線薄膜電極的SEM圖像。

圖3. 軟體執(zhí)行器內(nèi)腔的摩擦納米發(fā)電機(jī)TENG的工作原理及其性能。（a）內(nèi)部摩擦納米起電片的工作原理示意圖：執(zhí)行器的彎曲將會(huì)使得起電片B（與軟體手指內(nèi)腔貼合）與起電片A（與打印的手指支座相連）相接觸并且兩者接觸面積會(huì)隨著執(zhí)行器彎曲程度增大而擴(kuò)大。（b）內(nèi)部摩擦納米發(fā)電機(jī)片峰值電壓與指狀執(zhí)行器彎曲程度（由直流馬達(dá)轉(zhuǎn)角大小衡量）的關(guān)系。（c）內(nèi)部摩擦納米發(fā)電機(jī)片峰值電壓與指狀執(zhí)行器彎曲參數(shù)α（初末節(jié)指骨夾角）的關(guān)系以及相應(yīng)的擬合曲線。（d）有限元分析得到的軟體執(zhí)行器在不同彎曲程度下的應(yīng)變分布。

圖4. 軟體摩擦起電皮膚Tribo-Skin的工作原理及其性能。（a）摩擦起電皮膚的工作原理示意圖：借助表面微型金字塔結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出與接觸面積以及擠壓深度相關(guān)聯(lián)的電壓輸出特性。8 N作用力以1 Hz頻率擠壓摩擦起電皮膚所產(chǎn)生的（b）開路電壓，（c）電流以及（d）轉(zhuǎn)移電荷。（e）不同幅值的擠壓力使摩擦起電皮膚產(chǎn)生的開路電壓大小（頻率保持1 Hz）。（f）摩擦起電皮膚峰值電壓與接觸力大小的關(guān)系及相應(yīng)擬合曲線（頻率保持1 Hz）。（g）擠壓頻率與輸出電壓的關(guān)系（作用力保持7 N）。（h）摩擦起電皮膚的電壓輸出特性與不同接觸材料相關(guān)。（i）摩擦起電皮膚穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。

圖5. 由三個(gè)執(zhí)行器組裝的智能軟體機(jī)器手的綜合性能。（a）軟體機(jī)器手的設(shè)計(jì)示意圖，其中三個(gè)指狀執(zhí)行器互成120°分布并安裝在3D打印支座上。（b）基于摩擦起電皮膚能量收集系統(tǒng)的電路示意圖。（c）使用不同電容的抓手充電曲線。（d）抓取塑料球體。（e）由三塊摩擦起電皮膚產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，體現(xiàn)了包括接觸與擠壓，抓取，張開與釋放的過程。（f）抓取質(zhì)量增加后的相同塑料球體。（g）由三塊摩擦起電皮膚產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)包括內(nèi)部摩擦納米發(fā)電片的電壓信號(hào)。（h）抓取空心六棱柱。（i）由三塊TENG皮膚產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)以及內(nèi)部TENG的信號(hào)。

圖6.智能軟體機(jī)器手抓取并采摘西紅柿的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（a）抓取位于莖稈上的西紅柿。（b）采摘過程中，摩擦起電皮膚傳感器產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，包括接近、抓取與緊握以及釋放過程的信號(hào)變化。（c）抓取不同重量的西紅柿。（d）抓取過程中，摩擦起電皮膚產(chǎn)生的實(shí)時(shí)電壓信號(hào)，驗(yàn)證其識(shí)別目標(biāo)物體重量的能力。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Materials Technologies上。論文共同第一作者為密歇根州立大學(xué)博士生陳守鍔與博士后逄堯堃博士，通訊作者為密歇根州立大學(xué)曹長(zhǎng)勇教授，密歇根州立大學(xué)譚曉波教授和南方科技大學(xué)袁鴻雁教授為論文共同作者。

  論文鏈接:

  S. Chen, Y. Pang, H. Yuan, X. Tan, C. Cao. Smart Soft Actuators and Grippers Enabled by Self-Powered Tribo-Skins. Advanced Materials Technologies,2019. https://doi.org/10.1002/admt.201901075 

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