機(jī)械手成精了：能變形、能爬行、自己抓東西，全程無人操控

一只機(jī)械手從機(jī)器人手臂上脫落，自己爬到桌子對面抓起一塊積木，再爬回來重新裝上手臂。這是武漢大學(xué)高霄和合作者最近發(fā)在《自然·通訊》上的一項(xiàng)真實(shí)成果。

他們設(shè)計(jì)了一種可拆卸的爬行機(jī)械手，既能像普通機(jī)械手一樣抓取物體，又能從手臂上脫落，進(jìn)而變成一只五條腿或六條腿的爬行機(jī)器人，自己去夠那些原本夠不到的東西。

它能夠完成人類手部 33 種標(biāo)準(zhǔn)抓取模式中的全部，可以穩(wěn)穩(wěn)地抓起重達(dá) 2 公斤的物體。在一組多物體抓取實(shí)驗(yàn)中，它一次性同時(shí)抓起了四個(gè)物體，這在傳統(tǒng)機(jī)械手中非常罕見。它還能實(shí)現(xiàn)非擬人形抓取，使用任意兩根手指組合完成精細(xì)的指尖捏合，甚至能夠使用六根手指的版本完成單手?jǐn)Q瓶蓋的動作。

它還完成了完整的取物任務(wù)。只見機(jī)械手從手臂上脫落，然后自己爬行到目標(biāo)位置，使用兩根手指抓起一個(gè)黃色積木，把它背在身上繼續(xù)爬行。它又抓起第二個(gè)藍(lán)色積木，穩(wěn)穩(wěn)地疊在第一個(gè)上面，然后帶著兩個(gè)積木爬回手臂位置并重新對接。整個(gè)過程非常絲滑，展示了包含抓取、爬行、攜帶和對接等在內(nèi)的全套能力。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8）

高霄告訴 DeepTech：“目前的版本還有線纜連接，未來我們想做無線版本，并希望能夠集成更多傳感器。

當(dāng)前，我正在指導(dǎo)一名博士生，準(zhǔn)備把這個(gè)課題繼續(xù)做下去，也在寫相關(guān)的人才項(xiàng)目申請書。眼下只是一個(gè)原理驗(yàn)證原型，要想真正用于實(shí)際場景，還需要大幅改進(jìn)結(jié)構(gòu)可靠性，以及要考慮安全性和增加傳感器等。”

圖 | 高霄（來源：受訪者）

人類的手常被視為靈巧的極致，不過它存在不對稱這樣一個(gè)天然缺陷。大拇指和其他手指配合能夠完成很多精細(xì)操作，但這種不對稱也讓某些任務(wù)變得困難，比如單手?jǐn)Q瓶蓋或者單手使用螺絲刀，這些操作需要對稱的受力點(diǎn)，人類使用一只手很難做到。

由于人類手掌被固定在手臂末端，因此哪怕有肩膀和肘關(guān)節(jié)幫忙，也總是會有一些無法觸及的區(qū)域比如掉到桌子底下的筆，或者塞在書柜深處的零件等。

本次研究團(tuán)隊(duì)從自然界尋找到了靈感。他們發(fā)現(xiàn)章魚的腕足不僅可以爬行還可以抓握，螳螂蝦的捕食肢同時(shí)也是它的行走足。基于此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款完全對稱的機(jī)械手，每根手指的結(jié)構(gòu)相同，每根手指也都能夠雙向彎曲，但其活動范圍是人類手指的兩倍以上。

這個(gè)設(shè)計(jì)的巧妙之處在于，任何兩根手指都可以組成一對功性能的對生指，相當(dāng)于這只手有好幾個(gè)大拇指。同時(shí)，手掌里藏著一個(gè)電動螺絲結(jié)構(gòu)，當(dāng)手臂帶著它移動到桌面邊緣的時(shí)候，螺絲就會松開，手就可以脫落在桌面上，手指就能夠變成腿開始爬行。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8）

為了找到最佳的設(shè)計(jì)方案，研究團(tuán)隊(duì)使用遺傳算法做了大量仿真優(yōu)化。他們測試了從三根到八根手指的不同配置，評估了每種配置在抓取物體和爬行移動兩個(gè)任務(wù)上的綜合表現(xiàn)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，四到五根手指是最佳選擇，多了不僅會增加重量，還容易自己碰到自己。研究團(tuán)隊(duì)還使用算法優(yōu)化了爬行步態(tài)的參數(shù)，比如優(yōu)化了每條腿擺動的幅度、頻率和相位差，讓這只手能夠在桌面上穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)叵蚯白摺?/p>

（來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8）

對稱設(shè)計(jì)所帶來的額外好處是：翻車了也能自己站起來。傳統(tǒng)機(jī)器人如果四腳朝天往往就動彈不得，這只手的手指卻可以雙向彎曲，不管哪一面朝上，都能找到支撐點(diǎn)重新站立。研究團(tuán)隊(duì)對比了對稱構(gòu)型和非對稱構(gòu)型的爬行表現(xiàn)，結(jié)果顯示相比不對稱設(shè)計(jì)，對稱設(shè)計(jì)在爬行距離上提升了 5% 到 10%。

未來，在工廠倉庫里機(jī)器人可以自己爬進(jìn)狹窄的貨架縫隙里抓取零件，無需專門配置復(fù)雜的移動平臺。在災(zāi)難救援中，這種機(jī)械手能夠深入廢墟的狹小空間，去抓取物品或者操作閥門。在家庭服務(wù)場景里，它能夠從沙發(fā)底下拿出人類難以拿出來的掉落的遙控器。

（來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8）

這只機(jī)械手的誕生也引發(fā)了這樣一個(gè)問題，那就是為何人類的手進(jìn)化成了現(xiàn)在這個(gè)樣子？人類的手有五根手指和一個(gè)不對稱的大拇指，也許這只是造物設(shè)計(jì)里的局部最優(yōu)解。但是，機(jī)械手無需遵循生物演化路徑，設(shè)計(jì)師可以自由探索那些在自然界從未嘗試過的形態(tài)，也許未來的機(jī)器人形態(tài)將會變得和現(xiàn)在的很不一樣。

參考資料：

相關(guān)論文 https://doi.org/10.1038/s41467-025-67675-8

運(yùn)營/排版：何晨龍