Science封面:中国科学家用塑料瓶剪纸制作柔性机械手,可实现毫米级精确抓取

2021-06-07 11:52:00
大象龙门
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摘要:中国科学家杨溢,将塑料瓶和中国剪纸艺术结合起来,研发出一款柔性机械手,可柔性抓取小物品。

一般传统的工业机械手,为了避免运行时产生定位误差和振动,其手臂一般设计成重型结构。近年来,随着空间应用和制造业对轻型、高速、高精度的机械手要求不断提高,柔性机械手的建模和控制方法就越来越重要。

提到塑料瓶和剪纸,是不是让你想起了小时候的手工课?

你敢信吗?就是这两样简单的东西,居然登上了顶级期刊《Science》的封面!

中国科学家杨溢,将塑料瓶和中国剪纸艺术结合起来,研发出一款剪纸柔性机械手

螺丝钉、小夹子等微小物体可以精确柔性抓取


温柔的夹取树莓,不用担心水果表面被磕碰。

圆圆滚滚的玻璃珠也跑不掉啦!

一个一个的夹是不是有点慢,串联+并联混合夹取更方便!

小到螺丝钉,大到矿泉水瓶都能夹!

机械手可模仿人手和臂的某些动作,按固定程序实现抓取、装配、搬运等动作。

中国的古老剪纸艺术已传承多年,用剪刀将纸裁剪、镂空成各种各样的图案,给人在视觉上的以透空的感觉和美好的艺术享受。

镂空的剪纸在外力之下会发生变形,进而会产生一些动态效果,如弯曲和旋转。中国科学家杨溢正是以此为灵感,把剪纸几何图形作为一种设计方式,把剪纸切纹进行了排列,利用激光切割得到薄壳剪纸结构。

这种结构在外力作用下会发生屈曲变形。在完全变形后,薄壳本身会形成一个空囊结构,类似于人手的 “握” 与 “捏” 功能,就像触手一样,能够轻易抓取水果、玻璃球、甚至果冻这种表面光滑、易损坏、易变形的物体。

而且尺寸可放大、可缩小,在缩小后可实现毫米级物体的精准抓取,还能通过串联并联实现长度不同、和多个物体同时抓取。

薄壳剪纸结构的变形是动态可复原的,也就是说可抓握-放开无数次,材料则使用了PET塑料板制作,也就是我们平时用的矿泉水瓶材料,非常节能。


除了能精确抓取毫米级物体外,它还被赋予了更智能的功能。

如果将剪纸结构的两端换成具有铁磁力的PDMS材料,就能使用远程磁场快速驱动小夹具的开关。




来看看它被赋予了灵魂后的表现如何?

杨溢做了一个水下磁场试验:将小夹具放入具有磁场的水下,让铁磁端(底部)的磁力与剪纸结构之间处于静力平衡,朝水下扔一块小石块,当石块碰到夹具时,它会扰乱静力平衡,立刻呈现“抓握”状态,在60毫秒内用磁场精准地抓住了石块。


杨溢来自中国西安,目前在波士顿大学工程学院读博士学位,这项研究《Graspingwith kirigami shells》发表在最近的《Science Robotics》五月刊上。他表示:“与刚性机械手相比,软体机械手的力量虽然有限,但无论在设计还是在制造上,它们的适应性更强,结构简单,成本更也低,体积大小可以轻易缩放,能和传统商业机械臂结合,还可制成方便易携的夹取工具。”



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