機(jī)械手新突破！一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)6個(gè)關(guān)節(jié)，既能捏泡沫，又能拎3斤重物

一直以來，機(jī)械手的靈巧操作有個(gè)讓人頭疼的矛盾。想讓它力氣大，就得用齒輪箱，結(jié)果關(guān)節(jié)硬邦邦，稍微碰一下就可能會(huì)傷到人或者捏碎東西；想讓它溫柔可被外力輕松推開，力氣又上不去。

傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)，在小型化之后力輸出捉襟見肘。軟體機(jī)器人雖然柔順，但要么力氣不夠，要么響應(yīng)太慢。氣動(dòng)系統(tǒng)力大又柔軟，可一提到小型化、多自由度陣列，就難以實(shí)現(xiàn)。

有沒有一種驅(qū)動(dòng)方式，能讓同一個(gè)機(jī)械手既能像羽毛一樣輕柔貼合，又能像老虎鉗一樣牢牢鎖死，而且還能在兩種狀態(tài)間瞬間切換？

近日，機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《npj Robotics》 上發(fā)表了一項(xiàng)有趣的研究。來自美國(guó)西北大學(xué)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)給出了一套讓人眼前一亮的方案，他們用絞盤式放大的電粘附離合器，讓單個(gè)電機(jī)通過可尋址的離合器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)，力的大小跨越了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

那么，他們到底是怎么做到的？

01.

從電粘附離合器到絞盤放大：力氣不夠，角度來湊

先認(rèn)識(shí)一下核心部件：電粘附（EA）離合器。

它由兩片柔性薄膜電極和中間的介電層構(gòu)成。不通電時(shí)，兩片膜可以相對(duì)滑動(dòng)；通電后，靜電吸引力讓它們緊密貼合，通過摩擦力傳遞剪切力。但這種平面結(jié)構(gòu)的力密度有限。想要更大的力，要么換材料，要么改變幾何形狀。

研究團(tuán)隊(duì)想到了一個(gè)古老的機(jī)械原理：絞盤效應(yīng)。你肯定有過這種體驗(yàn)，把繩子在柱子上多繞幾圈，另一端只需要很小的力，就能拉住很重的物體。繩子傳遞的力會(huì)隨著纏繞角度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

他們把電粘附離合器薄膜纏繞在圓柱形表面上，結(jié)果驚人。同樣是通電粘附，3.5圈（約1260°）的配置，能產(chǎn)生超過140 N的保持力（約14公斤力）。而沒通電時(shí)的預(yù)緊力只有4.6 N，開關(guān)性能高達(dá)0.967。這意味著幾乎可以做到“通電鎖死，斷電自由”。

更妙的是，他們建立了一個(gè)力學(xué)模型，并用應(yīng)變成像技術(shù)實(shí)時(shí)觀測(cè)了力的傳遞過程。滑移從高張力側(cè)開始，像裂紋一樣向低張力側(cè)蔓延。這個(gè)模型精準(zhǔn)預(yù)測(cè)了不同電壓、不同纏繞角度下的力傳輸行為。

一句話總結(jié)，在材料性能到頂之前，先用幾何結(jié)構(gòu)來放大。

02.

雙離合器設(shè)計(jì)：一個(gè)負(fù)責(zé)拉，一個(gè)負(fù)責(zé)鎖

有了大力的離合器，怎么用到機(jī)械手上？

他們?cè)O(shè)計(jì)了一套負(fù)載傳遞架構(gòu)。每個(gè)輸出端配了兩個(gè)離合器。拉動(dòng)離合器連接驅(qū)動(dòng)軸，負(fù)責(zé)產(chǎn)生肌腱張力。鎖定離合器，連接機(jī)械接地（固定框架），負(fù)責(zé)保持張力。

工作流程是這樣的。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) → 拉動(dòng)離合器通電，把鋁環(huán)帶著轉(zhuǎn) → 肌腱被拉緊，手指彎曲。等手指到位后，鎖定離合器通電，把鋁環(huán)卡死在地面上，這時(shí)候電機(jī)就可以斷電了。

這意味抓取物體后，電機(jī)不需要再持續(xù)供電來對(duì)抗重力。鎖定狀態(tài)下的功耗低至亞毫瓦級(jí)——幾乎可以忽略不計(jì)。而傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)要想保持位置，要么持續(xù)通電，要么用自鎖齒輪。

這個(gè)設(shè)計(jì)還帶來了寬范圍的力調(diào)節(jié)。

通過高壓脈寬調(diào)制（PWM）來控制離合器，他們實(shí)現(xiàn)了亞牛頓級(jí)（<0.1 N）的力分辨率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，調(diào)節(jié)占空比（0-100%），輸出力可以從幾乎0平滑上升到數(shù)牛頓。而且離合器開關(guān)頻率接近1 kHz的毫秒級(jí)響應(yīng)，這意味著可以高速地調(diào)制力，實(shí)現(xiàn)柔順交互。

03.

一個(gè)電機(jī)，六個(gè)關(guān)節(jié)：可反向驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手

基于這項(xiàng)技術(shù)，團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)肌腱驅(qū)動(dòng)的雙指夾爪。每根手指3個(gè)自由度，總共6個(gè)關(guān)節(jié)，全部由兩組電粘附離合器控制，共用一個(gè)帶齒輪的直流電機(jī)。

他們演示了幾個(gè)讓人印象深刻的場(chǎng)景。

低占空比（比如15%）下，手指處于柔性模式，可以輕松貼合不規(guī)則形狀的軟泡沫，而且可以被外力反向驅(qū)動(dòng)。用戶可以直接用手把抓著的塑料瓶重新擺個(gè)位置，關(guān)節(jié)會(huì)被動(dòng)地適應(yīng)，完全不需要主動(dòng)力控制。這在人機(jī)協(xié)作或處理易碎物品時(shí)極為有用。

然后，一鍵切換到鎖定模式。同一個(gè)夾爪，在低占空比下輕輕捏住一個(gè)空塑料瓶，然后給鎖定離合器通電，手指立刻變得紋絲不動(dòng)。往瓶子里裝金屬零件？沒問題。夾爪穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)，電機(jī)卻幾乎不耗電。

負(fù)載測(cè)試更是硬核。在雙指握拳姿態(tài)下，夾爪能拎起1.36公斤的物體（約3磅）。實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)EA離合器就靠那層薄薄的薄膜，直接吊起了一袋3磅的重物。

他們還測(cè)試了不同表面摩擦力下的抓取能力。光滑表面無法承受0.5公斤的重量，但加上硅膠高摩擦層后，能穩(wěn)定抓取0.635公斤。如果兩個(gè)手指形成握拳姿態(tài)，負(fù)載能力進(jìn)一步提升到1.36公斤。

具有模式切換功能的雙指肌腱驅(qū)動(dòng)夾爪，用于靈巧操作

04.

局限與未來：離真正的人手還有多遠(yuǎn)？

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)也不是沒有短板。

論文作者坦誠(chéng)地指出了幾點(diǎn)：峰值力依賴于動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)，而摩擦系數(shù)會(huì)隨著速度、表面磨損、濕度等環(huán)境因素變化。鋁環(huán)和軸承會(huì)增加慣性，略微降低低力響應(yīng)的靈敏度。另外，目前還沒有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)力控制，他們是通過改變占空比開環(huán)調(diào)節(jié)力，未來如果能集成肌腱力傳感器，精度還能再上一個(gè)臺(tái)階。

不過，這項(xiàng)工作的意義在于提供了一種可擴(kuò)展的新范式，將“拉動(dòng)”與“鎖定”功能分離，通過可尋址的電粘附離合器實(shí)現(xiàn)單個(gè)電機(jī)多路復(fù)用，讓緊湊、低功耗、寬力范圍且可反向驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手成為可能。

未來的方向也很清晰。更輕的負(fù)載傳遞硬件、更高的高壓驅(qū)動(dòng)頻率、更長(zhǎng)的耐久性測(cè)試，以及向更高自由度（接近人手）的擴(kuò)展。

也許有一天，一個(gè)擁有20多個(gè)自由度的仿人靈巧手，只需要兩三個(gè)小電機(jī)和和幾片薄薄的電粘附離合器，就能既溫柔地捏住一顆草莓，又牢固地抓起一把錘子。

而且，它還很省電。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44182-026-00084-1