机器人把物体抓起来，只完成了第一步。机械臂一加速、一急停，其柔性末端执行器所抓取的物体就可能摆动，从而导致像撕胶带一样脱落的抓取失效。

哈尔滨工业大学（深圳）郭江龙等最近设计了一种会主动“变硬”的静电吸附抓手。接触物体时，它保持柔软，贴合曲面；开始搬运后，抓手通过加载电压提高结构刚度，抵抗急停、撞击和摇晃。

变刚度静电吸附抓手可适形、稳定抓取不同曲面物体
 

实验中，这只抓手吊着500克物体，可承受0.25米/秒运动后的急停；抓取400克物体时，可承受速度为1.7米/秒的金属球撞击。

相关成果（Moving_VSEA: portable variable stiffness electroadhesive grippers for mobile manipulations）于近日在线发表于IOP Publishing旗下期刊《Smart Materials and Structures》。

01.

柔软，也可能成为抓取短板

柔性静电吸附抓手通常由柔性电极组成。通电后，抓手与物体表面产生静电吸引力；断电后，吸附力减弱，物体随之释放。这种结构轻薄、安静，不需要真空泵，还能像一张软膜贴住不同曲面和其他不规则表面。

问题出现在机器人开始移动之后。急停时，物体会因惯性继续向前运动，带动静电吸附结构弯曲和摆动。一旦边缘出现翘起，局部剥离就可能迅速扩展，最终导致抓取失败。

过去不少静电抓手研究关注静止状态下“能吸多重”，但移动机器人真正作业时，底盘转向、机械臂加速和意外碰撞同样常见。团队因此给柔性静电吸附结构加了一种能够电控增刚的“骨架”。

02.

像按紧一叠纸，通电后结构更难弯曲

这套抓手被称为变刚度静电吸附抓手，简称VSEA。靠近物体的一侧是静电吸附层，负责贴合和抓取；背面叠放着8层电极与介电薄膜，负责调节刚度。未通电时，各层之间可以相互滑动，抓手保持柔软。施加电压后，相邻薄层被静电力压紧，层间摩擦增大，结构更难弯曲。

它有点像一叠纸：松松拿着时很容易弯，按紧以后，整叠纸会明显变硬。这里的“变硬”，并不代表介电薄膜材料本身发生硬化。电压改变的是薄层之间的机械耦合程度，抑制了层间滑动。随着载荷和变形继续增大，局部薄层仍可能重新滑动。

这种设计让抓手拥有了两个状态：贴合物体时尽量柔软，进入搬运阶段后提高刚度，减少摆动和边缘剥离。

不过，增刚没有直接提升切向静电吸附力。在纸板表面的剪切测试中，VSEA的吸附表现与普通柔性静电抓手接近，部分情况下还略低。原因在于，多层结构会削弱吸附片对表面的贴合能力。这项技术真正发挥作用的场景，是机器人动起来之后。

03.

吊着500克急停，再让金属球撞一下

研究团队首先搭建了一套移动测试平台，让抓手吊起500克物体，沿水平方向运动1.5秒后突然停止。每组测试重复5次。在1.5千伏吸附电压下，普通柔性静电抓手能够承受0.16米/秒的急停，速度提高到0.18米/秒后，物体开始掉落。

VSEA关闭变刚度功能时，达到0.2米/秒后持续失败。为变刚度结构施加2千伏电压后，抓手可以承受0.25米/秒的急停，直到0.26米/秒才再次失效。

高速相机下柔性静电吸附抓手和变刚度静电吸附抓手在不同运动速度急停后抓取状态比较（标尺：1厘米）

柔性静电吸附抓手和变刚度静电吸附抓手在不同移动速度下运行1.5秒后急停的抓取性能比较

随后，研究人员又发射一颗直径15毫米、质量13.61克的钢球，撞击正在被抓取的物体。当钢球速度达到1.7米/秒、被抓物体重400克时，只有吸附层和变刚度结构同时以2千伏工作，抓手才能在撞击后继续保持稳定抓取。

柔性静电吸附抓手和变刚度静电吸附抓手在（a）不同加载电压下抓取200g物体在1.7m/s小球撞击速度下的性能比较和（b）抓取400g物体在小球不同撞击速度下的性能比较

实验说明，扰动较小时，普通柔性吸附已经够用；物体更重、速度更快或冲击更强时，抓手刚度才会成为决定稳定性的关键变量。

04.

装上移动机器人，抓住之后还能带着走

完成实验平台测试后，团队进一步把5伏、2000毫安时锂电池和高压模块集成进3D打印外壳，制作出无需外接线缆的便携式抓手。抓取200克物体时，关闭变刚度功能的抓手经过横向和纵向摇晃后容易剥离；开启增刚后，物体在相同动作中保持稳定抓取。

便携式变刚度静电吸附抓手

研究人员还将其集成到商业移动机器人上。机器人抓着100克物体旋转摆动时，关闭变刚度功能会出现明显剥离，开启后实验中未观察到物体掉落。

可移动变刚度静电吸附抓手
 

目前，这套系统仍主要在受控环境中验证。湿度、灰尘、表面粗糙度、高压绝缘和长期循环可靠性，还需要继续测试。团队计划继续研究新的电极和绝缘材料，并在抓手中加入自感知机制，用于检测滑移和剥离，进一步形成闭环控制。

这项研究补上了柔性静电抓取中常被忽略的一环：柔性抓手既要能稳定贴附复杂曲面，也要承受机器人运动带来的惯性和冲击。

接触时柔软，搬运时变硬。对于移动机器人来说，这种可切换的机械状态，可能比一味追求更大的吸附力更实用。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-665X/ae820d