软体连续体机器人的感知及交互领域取得进展

图 基于高延展柔性电路的仿生软体连续体机械臂交互式抓捕

　　在国家自然科学基金项目（批准号：61822303）等资助下，北京航空航天大学机械工程及自动化学院文力教授研究团队，与清华大学、新加坡国立大学的研究团队开展交叉合作，在仿生软体连续体机器人的“感知-运动-交互”方面取得重要进展。研究成果以“仿生章鱼软体机械臂的感知和环境交互（Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction）”为题，于2023年11月30日发表于《科学·机器人》（Science Robotics）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh7852。

　　当前，软体连续体机器人在建模、感知及控制等方面均面临着巨大挑战。在建模方面，软体连续体具有高自由度/冗余度，其非线性偏微分方程模型求解难，常规数值近似求解建模的实时性与精度难以同时保证。在环境感知方面，软体连续体机器人的多模态传感电路与机器人本体杨氏模量（<1Gpa）难匹配、功能结构分布难以实现协同设计。研究团队从章鱼捕食中获得灵感，章鱼在抓捕猎物过程中，其细长的柔性臂采用一种“弯曲波传递”模式接近目标，并利用高灵敏度的触手/吸盘神经感知并快速捕获目标。模仿生物章鱼这种独特捕食行为，可为仿生软体机器人的复杂环境交互提供参考。

　　研究团队通过观测生物章鱼捕食过程中其细长臂的运动，构建了仿章鱼臂的“弯曲波传递”运动学建模新方法，并在自主研制的高自由度软体连续体机器人上得到验证，实现了运动学快速求解（模型求解时间：3ms），为连续体机器人的实时运动控制奠定了基础。为实现仿章鱼神经的柔性感知，研究团队提出了基于液态金属的柔性高延展电子皮肤刚度梯度及设计方法，解决了弹性基底与硅基芯片在大变形状态下易剥离的问题，并将柔性电路的轴向、周向拉伸率分别提高至710%和270%。进一步，研究团队实现了可感知多方向大变形的柔性电路，实现了集缠绕/吸附功能、触觉感知、自主决策于一体的仿章鱼臂末端（图）。机器人对自身形变感知误差<1%，也可感知温度，目标物体的硬度。最后，为实现“人在环路”的软体连续体机器人控制，研究团队建立了基于吸附触觉反馈的软体连续体交互方法，并开发了基于大拉伸电子电路的可穿戴柔性触觉装置。通过人手指在俯仰，转向、速度以及弯曲四个维度的运动，实现了高自由度软体连续体机械臂与人手指的交互控制，进而实现了软体连续体机器人在水下等复杂环境中对目标物的捕获（图）。

　　该研究揭示了生物“弯曲波传递”柔性抓捕新机理，突破了软体连续体-人-环境的感知及交互关键技术，将推动软体连续体机器人在海洋、制造等相关领域的实际应用。该研究已被Science官网首页图片新闻以及Nature官网News栏目报道。