在软体机器人领域,如何把柔韧的结构、可靠的驱动和高保真传感无缝整合,一直是工程学和仿生学交汇处的关键问题。MELEGROS(Monolithic ELEphant-inspired GRipper with Optical Sensors)作为一款受非洲象鼻 distal 部位启发的单体软体抓手,提出了一种新颖的解决方案:使用单一柔性材料通过连续三维打印一次成型,将气动致动腔和光学波导传感器共同构造在一个整体结构内,实现结构、驱动与传感的共制造与协同工作。这种思路在软体机器人设计中具有重要的理论意义与工程价值,能够减少材料界面带来的机械不匹配,降低模型不确定性,并提升仿真到现实的可迁移性。 MELEGROS的设计灵感来源于大象触须的末端结构。象鼻能够完成复杂的触觉感知与精细操作,关键在于其连续的柔性结构中结合了高密度的肌肉、电感与触觉神经网络。借鉴这一点,MELEGROS采用了具有格栅状单元的柔性光学波导和气动腔组合体,单个装置内包含五个可腔式气动驱动单元和六条光学传感波导,单材料、单次打印形成的制造策略避免了多材料界面可能引起的黏附、裂纹或疲劳问题,从而提高了系统的一体性和长期可靠性。
从制造角度来看,MELEGROS的亮点在于将复杂的传感和驱动结构融入到同一柔性树脂中,利用高精度立体光固化(SLA)或类似的连续打印工艺,形成12.5 mm单元尺寸的格栅骨架与内部气腔。单材料打印带来的另一个优势是仿真驱动的可行性增强。由于传感器、致动器和外壳共享相近的材料属性,有限元模拟对结构行为的预测更为准确,使得基于模拟的传感布置与参数调整在实物上只需少量迭代即可获得满意结果。文章作者报告仅用四次迭代就完成原型验证,这在软体机器人快速原型制造中尤为重要,可以大幅减少研发周期与成本。 光学传感器的集成是MELEGROS的核心技术之一。在软体机器人中引入光学波导传感器的优点包括对电磁干扰的不敏感、低功耗以及通过变化的光传播特性(例如偏折、弯曲或微小压缩对光程和散射的影响)获取触觉与形变信息。
MELEGROS将六条光学波导置于不同位置,分布以解耦不同类型的信号:触觉触点、弯曲角度和气腔膨胀产生的应变。实验显示,这些波导对局部接触、整体弯曲和内部气压变化会产生可区分的光学响应,从而实现了对触觉与本体感知的并行感知。 在功能演示上,MELEGROS不仅能够完成抓取任务,还能展现类似象鼻的多样化操作动作。设备具备伸长、压缩与弯曲能力,可以实现捏取、舀起、绕行并包覆被抓对象的动作,甚至能够对易碎物体如葡萄进行轻柔抓取而不致损伤。该装置自身质量约132克,但其负载能力超过自身重量两倍以上,这对于轻量化移动平台或协作机器人承担柔性抓取任务具有直接意义。此外,由于单体结构减少了摩擦与传动链复杂度,系统在重复操作时展现出良好的可重复性与稳定性。
在传感数据处理方面,光学波导提供的信号既能被用来直接识别接触事件,也能作为状态估计的输入来源。例如,通过监测不同波导的光强变化组合,可以区分单点接触和多点分布式接触,结合气压传感器读数则能够推断抓手张合度与施力强度。进一步结合机器学习或模式识别算法,MELEGROS的传感体系可以实现物体性质识别(硬度、形状初步估计)、抓取策略调整和故障自诊断。这种"合体式感知"减少了外部额外传感器的依赖,为在受限空间或复杂环境中的部署提供了便利。 与现有多材质或腱索驱动的软体抓手比较,MELEGROS提供了若干显著优势。首先,单体打印消除了多材料粘结或接口处的结构弱点,降低失效概率。
其次,内嵌的光学传感器无需电缆复杂布线到多个末端感测单元,减少了机械阻滞并提高了密封性,便于在潮湿或污染环境中运行。第三,可仿真优化的设计流程缩短了从概念到原型的时间,使得定制化设计(针对任务或被抓取物的特性)更为高效。 当然,MELEGROS也有一些需要进一步研究和改进的方面。第一,单材料设计虽然带来制造与一致性优势,但在某些任务中可能无法同时满足刚度和柔韧性两方面的极端要求。适合解决的方式之一是引入局部刚化结构或嵌入可控形状记忆元件,但这会引入多材料界面或额外加工步骤。第二,光学波导传感对环境光条件和内部光源稳定性有一定敏感性,实际应用中需要稳定的光源驱动与信号调理电路,或者设计更鲁棒的光学路径来抗干扰。
第三,气动驱动在便携性和控制精度方面存在挑战,尤其是在需要长时间自主运行或在移动平台上部署时,气源与管路管理成为限制因素。为此可考虑将微型电泵、封闭回路或压电致动等替代技术与MELEGROS结构结合。 在应用场景上,MELEGROS展现了广泛的潜力。其轻量、柔性与内嵌传感特性使其适合应用于服务机器人领域,例如在厨房或餐饮环境中处理易碎食材,在仓储与分拣中处理形状多变的小件物品,或在医疗与康复领域担任辅助抓取工具,与人类协作完成精细操作。工业方面,MELEGROS可用于抓取软性或不规则表面物体,降低损伤率与替代硬体夹具。研究领域中,这类仿生抓手提供了一个良好的平台来探索软体控制策略、感知融合与材料学一体化设计的交叉问题。
未来的研发方向可以从多个层面展开。一方面在材料与制造方面,可以探索加入可变刚度材料或通过梯度材料打印实现局部性能调节,以扩大适用工况。另一方面在传感与信号处理层面,应发展更鲁棒的光学传感编码与自校准算法,以适应长期运行与环境变量。控制策略上,可结合柔体建模、基于物理的仿真与数据驱动方法,进一步实现闭环力控与触觉反馈,使抓手在面对未知物体时具备更高的自适应能力。最后,系统级集成需要考虑气源微型化、电源管理与通信接口,推动MELEGROS向实际应用产品化演进。 从科研与产业化的角度看,MELEGROS代表了一种极具启发性的设计范式:通过共制造将感知和致动整合进连续的软体结构,从而减少模块化分割带来的不确定性和复杂性。
这种方法有助于缩短从仿生理念到功能原型的转化路径,降低工程实现门槛,并为软体机器人在现实世界场景中的普及提供可能。随着材料科学、3D打印技术与嵌入式光学传感技术的不断进步,类似于MELEGROS的单体集成解决方案有望被扩展到手臂、爪部甚至移动平台的关节单元中,构建更加柔顺与智能的机器人系统。 总结来看,MELEGROS通过单材料、单次打印的工艺将气动致动与光学传感器嵌入到象鼻仿生的连续格栅结构中,实现了高效的触觉与本体感知解耦,具备伸长、压缩与弯曲等多自由度操作能力,并在多样化的抓取任务中展现出优越性。其提出的"构造即传感"的设计理念对软体机器人领域具有深远意义,为下一代柔性操控器件的设计提供了可复制的范式和实践路径。随着进一步的材料改进、传感鲁棒化与系统集成优化,MELEGROS及其衍生结构有潜力在家用、服务、医疗与工业协作等诸多场景中发挥重要作用,推动柔性机器人向更安全、更高效和更智能的方向发展。 。
