北京航空航天大学研究成果“缠绕+吸附”于一体的章鱼触手锥度角

研究人员发现，不同种类的章鱼具有不同的触手锥角。 锥角较大的触手可以提供更大的包裹力； 而锥角较小的触手则可以让章鱼在狭窄和受限制的环境中自由活动。 目前，很少有研究围绕锥角的生物学特性来研究章鱼触手的“缠绕+吸附”功能。

图1 章鱼触手主要功能分解：包裹+吸附

2月26日，北京航空航天大学李文教授与哈佛大学Katia Bertoldi教授合作团队在国际期刊《Soft Robotics》上发表最新研究成果“OctopusArm-Inspired Tapered Soft Actuators with Suckers for Improve Grasping”。

本研究根据不同锥度的生物章鱼触手的特点，利用数据统计仿生设计制造出集“缠绕+吸附”于一体的章鱼触手（Tentacle Bot），以达到处理不同尺寸、材质、狭窄空间的目的环境。 有效抓取物体。

北京航空航天大学是该研究的第一单位和第一传播单位。

研究团队首先探索了自然界大量生物章鱼触手的形态特征，并从中提取了几何参数“锥角”。 他们发现自然界中章鱼触手的锥度分布在3度到13.5度之间。

图2 自然界中不同种类章鱼的触手锥角

为了探究锥角对软体机器人的影响，研究团队利用有限元仿真工具对不同锥角的圆锥形软体机器人进行了分析。

不同锥角下，机器人的弯曲曲率和弯曲力有不同的变化。 研究小组发现，较小的锥角会带来较大的弯曲曲率和较小的弯曲力。 反之，锥角大则弯曲曲率大，弯曲力小。 实现小弯曲曲率和大弯曲力。

完美的锥角可以抓取不同尺寸和重量的物体。

图3 利用有限元仿真工具实现：生物→仿生机器人

此外，研究团队还模拟了章鱼吸盘的结构和分布，将圆锥形软体机器人与软体吸盘相结合，打造出集缠绕和吸附功能于一体的仿生章鱼触手机器人。 锥形结构和吸盘分别由正压和负压控制。 用于控制的压力发生器。 研究团队探索了机器人的吸附性能。

研究团队发现锥角对机器人的吸附功能也有重要影响。 与传统的圆柱形机器人相比，锥形机器人不仅可以提供更大的最大吸附力，而且在吸盘剥离过程中具有更高的灵活性。 它可以提供更长时间的吸附并且不会很快脱落。 仿生章鱼触手机器人可以实现在不同粗糙度平面上的吸附。

此外，结合弯曲功能，机器人可以调整弯曲角度，实现曲面吸附，进一步扩大了可吸附物体的范围。

图4：仿生章鱼触手机器人吸附性能测试

章鱼锥形软件执行器与传统圆柱形软件执行器吸附性能

将缠绕和吸附两种抓取方式相结合，可以让机器人更加快速、便捷地抓取各种尺寸、材质、重量的物体，从直径20mm的试管、鸡蛋到直径750mm的瑜伽球。 能够快速稳定地拾取。

此外，与机械臂结合，机器人可以实现半自主的“吸附-缠绕-转移-输送”动作，为工业应用提供了可能。 机器人的锥形形状使其能够穿过狭窄的孔并取出内部物体，例如类似于章鱼的生物的触手。

本研究工作提出的纠缠与吸附相结合的抓取方法为软体机器人提供了新的设计思路，也将为章鱼触手的生物力学机制提供新的认识。

图片来源：维斯研究所/哈佛大学

该项目得到国家自然科学基金杰出青年项目、重点项目、普惠机器人重大研发计划、Festo横向项目等项目的支持。

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