科学家发明仿章鱼的软体机械触手，未来可以用在人造器官、人形机器人、仿生义肢 |CyberDaily

封面：DALL-E3

CyberDaily：

机器越来越像人

以后，人们可以接上柔软的仿生义肢，与人形机器人的柔软机械手握手。

科学家们开发了一种受到章鱼灵巧和智能启发的软体机器触手。这种创新的触手配备了吸盘，并可以通过套在手指上的手套进行远程操作。由北京航空航天大学文力教授领导的研究团队特别对章鱼用来捕捉猎物的“弯曲传播”动作感兴趣。这种弯曲运动从触手的基部开始，以波浪形式传播到末端，然后将其缠绕在不幸的鱼类或其他生物上，并通过吸盘将其固定住，以免被拖走。

大多数软体动物将其与机器人相关的灵巧动作归功于与周围环境交互的“触摸-感知-执行”方法。以章鱼捕捉猎物的运动模式为例，包括伸手和抓握动作。章鱼首先从根部弯曲手臂。弯曲沿着手臂向猎物传播，遵循来自臂神经节的简单但独特的肌肉激活前馈波，称为“弯曲传播”。一旦几个吸盘附着在目标上，高度敏感的吸盘神经网络就会触发停止和抓取信号 。手臂的远端部分包裹着目标并吸引更多的吸盘。然后引发抓取动作，将目标拉向章鱼的嘴。这些伸手和抓握动作说明了章鱼如何挥动其长而有感知的手臂来执行抓握任务。模仿章鱼的这种行为可以为仿生软机器人在与复杂环境交互时的运动和控制模式创建一个有价值的模型。

章鱼触手的独特之处在于它们几乎独立于章鱼的大脑运作。触手本身具有顺序激活的神经系统，只需从大脑发送极少的控制信号。为了复制这一特点，研究人员对弯曲传播运动进行了数学建模。这个软体机器触手由五个由软硅胶制成的段组成，嵌有在室温下为液态金属的“导线”。这些组件形成一个模拟章鱼触手神经系统的电子网络。

机器触手的末端配备了吸盘和温度传感器。整个系统通过一个装有传感器的手套无线操作，这些传感器不仅可以检测操作者手指的微小运动，还可以检测手和手臂的俯仰、横滚和加速度，并将这些运动传输到触手上。与真实的章鱼触手类似，这个机器触手在伸向目标时可以将长度扩展1.5倍。

机器触手的一个独特特点是融入了感知元素。手套内部有三个吸盘与佩戴者的手指连接。这些吸盘可以让操作者直接感受到触手末端吸盘的吸附效果，提供更沉浸式的体验。

总的的来说，软体机器触手相比传统的刚性机器人手更有优势，

它们具有固有的顺应性，可以自适应不同形状和尺寸的物体，也可以与人类或其他生物进行安全和友好的交互。

它们具有较高的灵活性，可以在复杂的空间中进行多种姿态的运动，也可以实现精细的操作。

它们具有较低的成本，因为柔软材料的制造和加工相对简单和便宜，也不需要复杂的控制系统和传感器。

它们具有较强的鲁棒性，因为柔软材料可以承受较大的变形和冲击，也不容易受到损坏或故障。

在测试中，机器触手成功地抓住了塑料玩具猎物，并在空气和水中表现良好。研究人员认为，它可以用在多个领域：

仿生假肢和类人机器人的制造，帮助截肢患者或残疾人恢复手部功能，也可以提高机器人的智能水平和人机交互能力。

医疗和健康领域，如进行微创手术、康复训练、按摩治疗等，也可以用于监测人体的生理信号和健康状况。

工业和农业领域，如进行柔性装配、精密加工、自动化采摘等，也可以用于处理柔软、易碎或危险的物品。

教育和娱乐领域，如进行科普展示、互动游戏、艺术创作等，也可以用于增强人类的感官体验和创造力。

专家对这种生物启发式设计方法和通过手套直接将人类运动转化为机器运动的方式表示赞赏。在软体机器人领域，实现类似章鱼的“体验式智能”是一个重要目标。在软体机器人领域，转化精细运动，特别是抓握动作，是一个重大挑战。

总体而言，这种软体机器触手有望推动机器人技术的发展，并在不同行业中具有广泛的应用。它能够模仿章鱼触手的自然运动，为未来更灵活、多功能的机器人系统打开了可能性。