【科研动态】Science子刊：仿生自适应柔性抓手赋能无人机操作

空中抓取极大扩展了无人机的操作能力，但是目前用于无人机刚性抓手极度依赖于精确的模型、传感器反馈以及无人机的高精度控制，这无疑增大了无人机的操作难度。随着软体机器人的兴起，软体抓手被用于无人机的抓取，由于软材料的顺应性，抓手的控制难度有所降低。但是大部分软体抓手的外形仍然像刚性抓手一样，无法实现形状自适应的抓取，如难以实现盆栽这种难度极大的抓取。通过阵列灯丝状的软执行器，一种基于纠缠抓取的软抓手被提出以提高抓取的适应性，但是抓取具有随机性，并且需要体积庞大且笨重的气泵组来单独驱动每一根执行器，这进一步阻碍了他们在无人机领域使用的可能性，由于无人机有限的空间和负载。

在自然界中，藤蔓植物能够依靠外部支撑来垂直生长和增强采光。藤蔓植物在开始生长时，能够依靠自身的缠绕紧紧地将周围的茎干和树枝抓住。在达尔文关于攀援植物习性的论文中，这类藤蔓植物被形容是一种极好的抓手，藤蔓紧紧抓住树枝就像鸟儿栖息在树枝上一样，这种藤蔓称之为藤攀爬者。还有另外一类藤蔓植物，他们的表面上具有钩子一样的结构，能够与支持物体形成互锁，以此来支撑自身的重量实现攀爬，这种藤蔓称之为钩攀爬者。

受藤蔓植物的启发，我们提出了一类自适应的柔性自包含抓手，可以实现无人机在多种环境下各种尺度、各种形状的抓取（视频1）。我们首先设计出两种长管状的柔性偏心圆管执行器，一种表面光滑类似于藤攀爬者，另一种具有表面结构类似于钩攀爬者。然后，我们分别将两种长管状的柔性偏心圆管执行器两端固定成为U形，制造出两种U形柔性偏心圆管执行器（U-shaped soft eccentric circular tube actuators, UCTA），多根UCTA交叉布置组成了两类柔性抓手。两类抓手都能够通电卷曲自适应物体的外形，对物体形成缠绕而实现抓取。

表面光滑的抓手在变形后具有较大的曲率，能够更好地适应物体的外形，适合用于精巧的抓取，例如抓取花朵。而具有表面结构的抓手变形后的曲率相对较小，抓取适应性减弱。但是抓手的负载能力有所提升，由于变形后凸出的表面结构能够和物体形成互锁，这种抓手适合用于抓取重物，例如抓取沉重的石头（图1）。此外，U形设计解决了前述灯丝状执行器抓取随机性的问题，并且赋予了无人机直接通过勾、挂等简单方式抓取物体的能力。与现有的部署在无人机上的抓手相比，我们的柔性自包含抓手在重量、负载、尺寸、响应时间、适应性和位置误差方面均具有优越性。

我们在UCTA内部装入适量的低沸点液体(Novec 7000)和软的电阻丝，形成了一个电驱动的自包含系统，避免了对一组笨重的气动泵的需求，使得抓手能够与负载能力有限的无人机集成。通过给UCTA内部的电阻丝通电加热，执行器中的低沸点液体由液态转变为气态，即液气相变的过程，执行器内部压强增大，产生类似藤蔓的缠绕变形（图1，图2，视频2）。

受钩攀爬者的启发，我们设计了带有表面结构的UCTA。当UCTA内部气压增大时，其表面类似钩子的凸起凸出，这些凸起使用更硬的30A硅橡胶制作，能够嵌入被抓取物体表面的沟壑中，像钩攀爬者一样与物体形成互锁，提高UCTA能够缠绕抓取的最大质量；当UCTA内部气压下降时，表面的这些凸起能够缩回，确保能够释放物体。

我们通过一组对照实验展示表面结构在提高UCTA负载方面的有效性，两种UCTA均缠绕在表面具有沟壑的透明塑料杯上，不断向杯中加入砝码，直至整个系统失稳，结果表明，没有表面结构的单根UCTA能够抓取的最大质量约为350g，具有表面结构的单根UCTA能够抓取的最大质量约为450g，负载能力提升了29%（图3）。

红外相机拍摄的执行器变形和复原的整个过程（图4，视频3，视频4，视频5）显示，自包含柔性抓手与无人机的结合，是相互拟补的过程，即无人机的晃动加快抓手的驱动速度，而柔性抓手扩展无人机的操作能力。

在实践中，我们首先预热以诱导部分低沸点液体的相变，从而产生内部预压力，该预压力不会使抓手收紧，但会使抓取时间缩短至3秒。但是采用该方法时，夹持器发生局部变形，对抓取物体的形状会带来一定的限制。

无人机对一系列物体的成功抓取演示，包括规则的球体、簸箕、塑料瓶、高脚杯、陶瓷摆件、树枝、夹具和清洁剂瓶子，验证了无人机具有强大的抓取能力（图5，视频1）。

为了展现抓手在实际应用中的能力，我们在无人机抓手本身没有感知、规划和反馈的情况下，在户外进行实验演示。我们使用无人机抓取了挂在树枝上的钥匙。自适应的抓手能够穿过树枝并首先通过勾挂抓取的模式取下钥匙，之后抓手通电膨胀夹紧钥匙（图6，视频6）。

我们使用无人机打捞了在水中自由移动的树枝。交叉排列的U形柔性驱动器可以钩住物体以限制其进一步的运动，然后再膨胀变形完成抓取。这对于其他抓手是困难的，因为水的视觉障碍和螺旋桨气流的干扰会极大地阻碍抓取。户外抓取的展示表明：柔性抓手能够应用在多种具有挑战性的环境中，并且拥有独特的优势，使无人机在低定位精度、无复杂抓取规划下的自适应、多环境抓取成为了可能（图6，视频7）。

最后，我们设计了两架无人机协作搬运物体的实验。柔性抓手在协同搬运中具有优势，不同于刚性抓手抓取物体时形成的硬约束，柔软、稀疏的自适应抓手不仅能够吸收无人机传递的震动，而且允许物体在抓手中旋转或移动（图6，视频8）。