重磅！北航团队Science Robotics软体连续体机器人的感知及环境交互取得新进展

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11月29日，北京航空航天大学文力教授团队在《Science Robotics》以Research Article形式发表了最新的研究成果“Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction”。该研究利用大拉伸液态金属电路技术集成软体机器人、结合章鱼触手弯曲传递运动模式以及可穿戴柔性触觉装置，提出并制作了传感电路一体化章鱼臂机器人样机，实现了仿章鱼的传感、运动、环境交互操作方式。

这项研究涵盖了多个研究领域，涉及生物学和机器人学等多方面的交叉。机械学院的博士毕业生谢哲新、博士生袁菲阳、刘嘉琦，硕士生田路峰为该文的共同第一作者。文力教授为该项目通讯作者。北京航空航天大学为该研究的第一单位、通讯单位。清华大学工程力学系，新加坡国立大学机械工程系为本研究的合作单位。

图1 论文首页（左）；《Science》官网图片报道（中）；《Nature》官网News报道（右）

软体连续体机器人的建模、感知及控制是机器人领域面临的一项重要挑战。软体连续体本身具有较高的自由度和冗余度，对其非线性偏微分方程模型进行数值近似求解的速度和精度难以同时保证。而软体连续体的环境感知则存在着传感电路与机器人本体杨氏模量（<1Gpa）匹配难、功能结构分布设计难等问题。

自然界的柔性体生物为解决上述问题提供了灵感。章鱼在抓捕猎物过程中，其细长的触手采用一种独特的“弯曲波传递”的模式接近目标，首先从根部弯曲，然后弯曲点沿着手臂向猎物传播。一旦吸盘附着在目标上，其高灵敏度的触手/吸盘神经即会进行感知并快速捕获目标。模仿生物章鱼的这种独特的捕食行为，可为软体连续体机器人的感知和与环境交互提供参考。

▍研究贡献

通过实现类似章鱼触手具有高效柔性运动能力，灵敏的环境感知能力以及自主决策能力的软体机器人系统，该研究主要做出三个贡献。

1）为大变形软体机器人集成具有多种传感(例如弯曲、吸力、温度)及自主信号处理能力的大拉伸电子系统。

2）根据章鱼触手弯曲传递运动启发，提出简单、高效的传递式柔性臂控制方式，使得具有近乎无限自由度和高冗余度的柔性触手能够通过单一手指进行控制。

3）提出基于大拉伸电子电路的可穿戴柔性触觉装置，用于感知和控制高冗余度仿生章鱼臂，通过打通软体机器人与人和环境的交互闭环，实现了更为自然和直观的人机界面。

▍贡献一：集成液态金属电子系统的仿生章鱼触手抓持器

首先，通过利用液态金属柔性电路，团队赋予了大变形软体机器人感知环境和自主决策的功能。研究团队提出了基于液态金属的柔性高延展电子皮肤刚度梯度设计方法，解决了弹性基底与硅基芯片在大变形状态下易剥离的问题。经过增强的简单柔性电路单元在拉伸至710%的状态下仍能正常工作，对集成传感以及电子元件的复杂电路，其拉伸性也从140%提升到了360%。

Credit: 袁菲阳，谢哲新

这种增强的柔性电路不仅能够在单一轴上承受大幅拉伸应变，而且还具备对多轴拉伸应变的适应能力。更为引人注目的是，这种柔性电路不仅仅被动地适应变形，而且能够通过感知人的交互进行主动响应和相应的变形。这种智能化的柔性电路为软体机器人的实时环境感知和主动决策创造了强有力的基础。

Credit: 袁菲阳，毛思哲，谢哲新

随后，课题组在之前与Festo公司共同发布的仿生章鱼触手抓持器“Tentacle Gripper”（《Soft Robotics》，2020）的基础上迈出了更为引人注目的一步。他们深入研究了生物章鱼触手及吸盘的神经分布结构，充分借鉴了自然界的设计原理，将可感知多方向大变形的柔性电路与机器人紧密结合，成功制造出一款集缠绕/吸附功能、触觉感知、自主决策于一体的仿章鱼臂末端。

图2：集成液态金属电子系统的仿生章鱼触手抓持器

这一柔性电子集成化抓持器的研发不仅使得软体机器人在高度变形的情况下仍能保持一致的自主信号处理功能，而且为软体机器人系统注入了多样化的感知能力。抓持器不仅可以实时感知自身的形变状态，还能感知0-100℃的环境温度，以及对55kPa-3000mPa硬度物体的吸附状态，为机器人在复杂环境中作出实时决策提供了关键信息。例如，在一个复杂环境中，抓持器能够利用自身的弯曲状态感知与环境的接触，进而避开障碍，随后通过感知环境温度来探测目标物的方位，最后通过吸附感知进行决策并握紧、关闭发热的灯泡。

Credit: 袁菲阳，陈勃翰，田路峰，付中强，毛思哲，谢哲新

▍挑战二：高自由度软体臂的仿生弯曲传递运动方式

研究团队对章鱼触手的弯曲传递动作进行了生物观测以及运动学分析，提取弯曲传递运动特征，从运动学上将章鱼触手弯曲传递行为分类为趋近（Reaching）和扫掠（Sweeping）两种模式。

Credit: 陈勃翰

基于对生物弯曲传递运动特征的深入理解，研究团队构建了仿章鱼臂的“弯曲波传递”运动学模型，并在自主研制的高自由度软体连续体机器人上得到验证，实现了运动学快速求解（模型求解时间: 3ms），为连续体机器人的实时运动控制奠定了基础。

Credit: 刘嘉琦

利用这种章鱼特有的驱动方式，研究团队实现了软体臂在简单高效的传递式驱动逻辑下的趋近（Reaching）和扫掠（Sweeping）运动模式。这种驱动方式的应用，结合液态金属电子系统，使得仿生章鱼触手抓持器与多段软体臂的组合可以在大范围、不同方向和距离的情况下自动进行抓捕操作。

Credit: 刘嘉琦，袁菲阳，田路峰，付中强，谢哲新

图3：传递式驱动逻辑下的趋近（Reaching）和扫掠（Sweeping）目标物抓捕

最为重要的是，这种驱动模式不仅能够适用于具有任意段数的软体臂控制，而且显著降低了高自由度软体臂控制的复杂度。

Credit: 刘嘉琦，袁菲阳，田路峰，付中强，谢哲新

▍贡献三：基于可穿戴柔性触觉装置的人机交互新方式

另一方面，该研究还在可穿戴技术领域取得了显著进展，研究团队将大拉伸液态金属柔性电路技术应用于可穿戴装备，提出并制造了柔性触觉指套，用于感知和控制仿生章鱼臂，得益于传递式驱动的简易逻辑，指套电路可以通过提取的手指姿态信息控制章鱼臂的运动。

Credit: 袁菲阳，刘嘉琦，田路峰，谢哲新

同时，指套电路与仿生章鱼触手抓持器电路进行无线通信，实现了弯曲抓取控制。指套内侧嵌有吸盘结构，当抓持器吸盘吸附上物体时，信号传递到指套时，指套内嵌吸盘会产生负压在手指上同步产生吸附触觉，将机器人触觉传递到人手。

Credit: 袁菲阳，田路峰，谢哲新

柔性指套的引入不仅为用户提供了更直观、自然的控制手段，而且通过无线通信与仿生章鱼触手抓持器实现了高效的协同作业。这种先进的交互方式为人机协同工作打开了新的可能性，尤其是在特殊环境或特殊任务需求下，例如无视觉环境，水下搜寻和抓捕等。这种仿生的高效控制方式不仅提高了机器人的灵活性，同时也为人类与机器人的深度融合提供了全新的途径。