軟體連續體機器人的感知及交互領域取得進展

圖 基于高延展柔性電路的仿生軟體連續體機械臂交互式抓捕

　　在國家自然科學基金項目（批準號：61822303）等資助下，北京航空航天大學機械工程及自動化學院文力教授研究團隊，與清華大學、新加坡國立大學的研究團隊開展交叉合作，在仿生軟體連續體機器人的“感知-運動-交互”方面取得重要進展。研究成果以“仿生章魚軟體機械臂的感知和環境交互（Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction）”為題，于2023年11月30日發表于《科學·機器人》（Science Robotics）期刊上。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh7852。

　　當前，軟體連續體機器人在建模、感知及控制等方面均面臨著巨大挑戰。在建模方面，軟體連續體具有高自由度/冗余度，其非線性偏微分方程模型求解難，常規數值近似求解建模的實時性與精度難以同時保證。在環境感知方面，軟體連續體機器人的多模態傳感電路與機器人本體楊氏模量（<1Gpa）難匹配、功能結構分布難以實現協同設計。研究團隊從章魚捕食中獲得靈感，章魚在抓捕獵物過程中，其細長的柔性臂采用一種“彎曲波傳遞”模式接近目標，并利用高靈敏度的觸手/吸盤神經感知并快速捕獲目標。模仿生物章魚這種獨特捕食行為，可為仿生軟體機器人的復雜環境交互提供參考。

　　研究團隊通過觀測生物章魚捕食過程中其細長臂的運動，構建了仿章魚臂的“彎曲波傳遞”運動學建模新方法，并在自主研制的高自由度軟體連續體機器人上得到驗證，實現了運動學快速求解（模型求解時間：3ms），為連續體機器人的實時運動控制奠定了基礎。為實現仿章魚神經的柔性感知，研究團隊提出了基于液態金屬的柔性高延展電子皮膚剛度梯度及設計方法，解決了彈性基底與硅基芯片在大變形狀態下易剝離的問題，并將柔性電路的軸向、周向拉伸率分別提高至710%和270%。進一步，研究團隊實現了可感知多方向大變形的柔性電路，實現了集纏繞/吸附功能、觸覺感知、自主決策于一體的仿章魚臂末端（圖）。機器人對自身形變感知誤差<1%，也可感知溫度，目標物體的硬度。最后，為實現“人在環路”的軟體連續體機器人控制，研究團隊建立了基于吸附觸覺反饋的軟體連續體交互方法，并開發了基于大拉伸電子電路的可穿戴柔性觸覺裝置。通過人手指在俯仰，轉向、速度以及彎曲四個維度的運動，實現了高自由度軟體連續體機械臂與人手指的交互控制，進而實現了軟體連續體機器人在水下等復雜環境中對目標物的捕獲（圖）。

　　該研究揭示了生物“彎曲波傳遞”柔性抓捕新機理，突破了軟體連續體-人-環境的感知及交互關鍵技術，將推動軟體連續體機器人在海洋、制造等相關領域的實際應用。該研究已被Science官網首頁圖片新聞以及Nature官網News欄目報道。