瑞士研发新型对称机械手突破人手局限 具备双面抓握与自主爬行功能

在工业生产、服务协助与户外探测等应用场景中,机器人末端执行器既要“抓得住”,也要“抓得快、抓得稳、抓得多”。

然而,传统机械手往往围绕单一抓取方向设计,在狭窄空间、跨面操作以及多物体连续处理等任务中,容易出现姿态受限、动作冗余、效率下降等问题。

如何在不显著增加系统复杂度的前提下提升抓取自由度与任务适应性,成为机器人学持续攻关的重点。

此次发表于《自然·通讯》的研究给出一种思路:以对称结构与可重构理念突破常见单面抓握限制。

研究团队开发了两种对称构型的机械手,分别为五指版本和六指版本,手掌直径均约16厘米。

对称布局使机械手能够从两个方向同时或交替施力,实现双面抓握,从而在面对形状不规则、尺寸跨度大或摆放方向受限的物体时,减少“绕行”与“翻转”动作带来的时间与失败风险。

这一设计逻辑并非简单增加手指数量,而是通过结构对称性改善受力与接触面配置,让抓握策略更接近“多方向可用”的工程需求。

造成传统机械手能力受限的原因,一方面在于结构形态多沿袭人手启发式设计。

人手虽然灵巧,但天然具备非对称特征,且主要依赖单侧接触面完成抓握;另一方面在于工程实现中常把机械手与机械臂视为固定整体,移动与操作高度耦合,导致在复杂环境下必须依赖机械臂大幅度调整姿态,系统效率与可靠性受到影响。

研究团队在此基础上进一步提出“可拆卸”方案:机械手可与机械臂基座分离,并通过内置驱动实现自主爬行移动。

换言之,末端执行器从“被动跟随机械臂”变为“可独立位移的作业单元”,在不更换整套装备的前提下拓展了任务边界。

从实验演示看,该机械手体现出三方面能力:其一,抓取对象覆盖多种日常物品,包括卷筒芯、橡胶笔、罐头与橡胶球等,说明在不同材质、形状与表面摩擦条件下具备一定泛化能力;其二,可复现人类手部数十种典型抓握姿态,并实现最大约2公斤负载,显示其不仅能“抓”,还具备承载与稳定控制的工程价值;其三,可连续抓取最多3个不同物体,并能在抓持物体的状态下稳定重新与机械臂对接,意味着其有潜力在分拣、装配、搬运等任务中实现更高的连续作业效率,降低频繁切换工具或反复定位带来的停机时间。

这类设计对产业与应用的影响主要体现在三个方向。

首先,在工业自动化场景中,双面抓握与多目标连续处理有望提升节拍效率,特别适用于零件形态多样、工位空间紧凑的柔性产线。

其次,在服务协助领域,可拆卸与自主移动能力为“近距离取放”“狭小区域拿取”等任务提供新的工程路径,降低对大型机械臂复杂姿态规划的依赖。

再次,在野外勘探与应急任务中,末端执行器具备短距离自主移动能力,可能在碎石、缝隙或障碍密集环境中承担“贴近目标的精细操作”,为提升环境适应性提供补充手段。

当然,从实验室原型走向规模化应用仍需系统化对策支撑。

一是加强可靠性与耐久性验证,尤其是在粉尘、潮湿、冲击等工况下的结构与传动稳定性;二是完善感知与控制协同,抓握策略需要与触觉/力反馈、视觉识别及规划算法形成闭环,以应对更复杂的随机摆放与动态干扰;三是推进标准化接口与安全规范,确保可拆卸对接、独立移动与协作作业过程可控可追溯,便于在生产线与公共环境中部署;四是从成本与维护角度优化模块化设计,使关键部件可快速更换、故障可定位,降低全生命周期成本。

展望未来,机器人末端执行器的发展趋势将更强调“结构创新与系统协同并重”。

对称抓握与可拆卸移动的结合,体现出将操作自由度、空间可达性与任务连续性统一考虑的工程思路。

随着材料、传感、控制与制造工艺的进步,这类“更灵活、更可重构”的机械手有望在多品类生产、复杂环境作业及人机协同等领域形成更广泛的应用场景,并推动机器人从“固定工位工具”向“多任务通用平台”迈进。

从仿生学到功能创新,机械手技术的每一次突破都在重新定义人机协作的边界。

洛桑联邦理工学院的研究不仅展示了工程设计的巧思,更揭示了未来机器人“去中心化”发展的可能路径。

当机械装置能够像生物体一样自主适应环境时,人类或将迎来生产力解放与产业变革的新纪元。