中國地質(zhì)大學團隊研發(fā)剛-柔-軟結(jié)構(gòu)仿人手指，無損拿捏豆腐蛋黃

在機器人領(lǐng)域，一個看似簡單卻始終困擾工程師的難題是：如何讓機器手指既“有力”又“溫柔”？

傳統(tǒng)剛性機械手雖力量強勁，響應(yīng)迅速，能穩(wěn)穩(wěn)抓起沉重工件，但在面對豆腐、薯片或蛋黃時往往束手無策，稍一發(fā)力就會造成破損；而近年來興起的軟體機械手雖然具備出色的柔順性和安全性，能夠適應(yīng)各種不規(guī)則形狀，卻因材料本身強度不足，難以承擔較大負載，限制了其在實際場景中的應(yīng)用。尤其在服務(wù)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)等需要高度靈活性與安全性的領(lǐng)域，這一矛盾尤為突出。

近日，來自中國地質(zhì)大學（武漢）自動化學院的機器人團隊針對這一技術(shù)瓶頸取得突破性成果。他們從人類手指的精妙結(jié)構(gòu)中汲取靈感，設(shè)計出一種具有剛-柔-軟復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿人手指，實現(xiàn)了高強度、高適應(yīng)性與高安全性的完美統(tǒng)一。該成果以“Humanoid finger with rigid-flexible-soft structure”為題，在線發(fā)表于期刊《Nature Communications》上。論文第一作者為博士生呂播陽和肖懷，通訊作者為孟慶鑫教授和吳俊東教授，第一完成單位為中國地質(zhì)大學（武漢）自動化學院。

▍ 向最靈巧的“自然之手”學習

人類手指是自然界進化出的高效操作器官，其卓越性能源于多層級結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用：堅硬的指骨提供支撐力和抗變形能力，關(guān)節(jié)處的軟骨與韌帶賦予靈活彎曲與自動復(fù)位功能，而外層的肌肉與皮膚則提供柔順的輸出力，確保接觸面柔軟貼合，既能增大摩擦防止打滑，又能保護脆弱物體不受損傷。這種剛、柔、軟三位一體的設(shè)計，成為研究團隊的核心靈感來源。

基于此，剛-柔-軟仿人手指被構(gòu)建成一個集成系統(tǒng)——內(nèi)部由3D打印的輕質(zhì)PLA管狀骨骼構(gòu)成主承力結(jié)構(gòu)，保證整體剛度與穩(wěn)定性；關(guān)節(jié)部位嵌入定制的雙扭簧柔性元件，在實現(xiàn)類似人手指90°向內(nèi)彎曲的同時，有效抵抗橫向或反向的非自然形變；外部包裹一層高彈性、高摩擦系數(shù)的硅膠皮膚，提升對不同材質(zhì)物體的抓握可靠性。整個結(jié)構(gòu)通過一個緊貼骨骼的氣動薄膜驅(qū)動器進行控制，當腔內(nèi)氣壓降低時，薄膜收縮帶動骨骼向內(nèi)彎曲，模擬人手屈肌動作，完成抓取。

剛-柔-軟結(jié)構(gòu)靈感來源于人類手指

▍ 能輕柔夾起蛋黃，也能托起超過自身20倍重量的重物

為了全面評估所設(shè)計的剛-柔-軟仿人手指的性能，研究團隊構(gòu)建了兩指、三指機械手以及五指仿人機械手，并開展了一系列極具挑戰(zhàn)性的實驗。結(jié)果顯示，這款機械指真正做到了“剛?cè)岵薄?/p>

在重量層面，兩指機械手從輕柔地抓取12.1克的小番茄開始，最終成功抓取了重達1125.2克的3D打印耗材。同樣，三指機械手不僅能輕柔地抓取14.7克的生雞蛋黃而不損壞，還能牢牢地握住1254.5克的卷心菜。在尺寸層面，兩指機械手能穩(wěn)穩(wěn)夾起一張厚度僅0.1毫米的A4打印紙，也能抓取25.0厘米長的3D打印棒。三指機械手能夾起從0.6厘米直徑的鉛筆到24.3厘米直徑的柔軟且易破的氣球。

安裝有剛-柔-軟仿人手指的機械手可從容應(yīng)對“從輕到重”“從小到大”的物品抓取

五指仿人機械手不僅可以實現(xiàn)“托”“握”“提”等仿人抓取模式，甚至能支撐總重5.275公斤的箱子，相當于自身體重（260克）的近20倍，其“承載能力/自重比”達到驚人的2028.9%。

五指仿人機械手可以實現(xiàn)“托”“握”“提”仿人抓取模式

▍ 多維度驗證仿人手指的卓越操控能力與抓取可靠性

在實際操作場景中，機器人手指往往需要面對形態(tài)各異、質(zhì)地多變的物體，尤其在處理超薄、易碎或表面光滑的物品時，極易因接觸不穩(wěn)或施力不當導(dǎo)致滑脫或破損。為全面評估剛-柔-軟仿人手指在復(fù)雜任務(wù)中的表現(xiàn)，研究團隊設(shè)計了一系列高難度精細操作實驗，充分展現(xiàn)了其在順應(yīng)性、穩(wěn)定性和可靠性方面的突出優(yōu)勢。

在針對柔軟脆弱物體的測試中，研究人員使用基于剛-柔-軟仿人手指的兩指機械手對一塊質(zhì)地松軟的豆腐進行了連續(xù)20次重復(fù)抓取實驗。整個過程中，機械手能夠輕柔而準確地將豆腐從平臺拾起，懸停數(shù)秒后平穩(wěn)放回，動作流暢且無劇烈振動。通過對比抓取前后的表面狀態(tài)和質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)，豆腐表面未留下明顯壓痕，質(zhì)量損失僅為0.06克，幾乎可以忽略不計。這一結(jié)果充分證明了剛-柔-軟仿人手指具備極高的接觸順應(yīng)性，能夠在不損傷物體的前提下實現(xiàn)安全、可靠的抓握，展現(xiàn)出接近人類手指的操作細膩度。

兩指機械手連續(xù)抓取豆腐實驗

為進一步檢驗其在非理想姿態(tài)下的適應(yīng)能力，研究團隊還開展了一項多角度動態(tài)抓取實驗，對象是一片薄脆的薯片。實驗要求機械手從后右方、正右方、前右方、斜上方以及正上方五個不同方向依次完成抓取與釋放。盡管薯片形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)強度極低，且每次抓取接觸面均存在差異，剛-柔-軟仿人手指仍能依靠柔軟硅膠外皮的貼合特性與氣動驅(qū)動的柔性響應(yīng)，自適應(yīng)調(diào)整接觸狀態(tài)，施加恰到好處的夾持力，成功實現(xiàn)全程無損操作。在整個過程中，薯片始終保持完整，未出現(xiàn)斷裂或掉落現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了該手指在動態(tài)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中對超脆性物體的強大操控能力。

兩指機械手多角度抓取薯片實驗

▍ 結(jié)語

隨著人形機器人逐步從工廠走向家庭、從結(jié)構(gòu)化環(huán)境邁向真實世界，其末端執(zhí)行器的性能正成為決定其“類人能力”的關(guān)鍵瓶頸。該研究成果為人形機器人的手部結(jié)構(gòu)提供了一種新的思路，它不僅賦予機器人手指級別的精細操控力，更實現(xiàn)了在不同任務(wù)間自由切換的通用性。未來，當這類具備剛-柔-軟復(fù)合特性的仿生手指集成于人形機器人雙臂系統(tǒng)中，它們將能夠自主完成端茶倒水、整理衣物、開關(guān)抽屜等復(fù)雜家居任務(wù)，甚至可在突發(fā)情況下安全地協(xié)助老人或兒童，真正實現(xiàn)與人類共融共處的智能交互。

更重要的是，隨著材料優(yōu)化與感知融合技術(shù)的進一步發(fā)展，這類仿生手指還能夠集成觸覺反饋、溫度感應(yīng)與自適應(yīng)學習能力，推動人形機器人從能“做”向能“做好”邁進。