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在机器人领域，受壁虎启发的干粘合剂虽有潜力，但现有基于人工粘合剂的抓手在粘附精准快速控制上与壁虎差距大。研究人员开展仿壁虎脚趾垫自剥离行为的机器人抓手研究，该抓手能快速切换粘附，还可精准调控。这为机器人操作发展开辟了新途径。
在科技飞速发展的当下，机器人的应用场景越来越广泛，在工业生产、实验室操作等领域，机器人抓手的性能至关重要。自然界中，壁虎凭借独特的脚趾垫结构，能够在各种表面快速且精准地附着与脱离，这种神奇的能力引发了科研人员的浓厚兴趣。受壁虎启发，科学家们开发出多种仿生粘合材料，这些材料在诸多领域展现出一定潜力。然而，目前基于这些人工粘合剂的机器人抓手，在精确和快速控制粘附方面，与自然的壁虎仍存在巨大差距。在实际生产和操作中，待抓取物体的大小、重量各异，有的还很薄、易碎、柔软或易变形，同时为满足生产效率需求，操作必须快速。但现有的刺激响应型可切换粘合剂，如基于热、光、电压等刺激的粘合剂，存在响应慢、需复杂昂贵设备，且难以处理薄软物体等问题。因此，开发一种可靠的、能快速精准调节粘附力的机器人抓手成为亟待解决的科学技术挑战。
为了攻克这一难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于仿壁虎脚趾垫机器人抓手的研究，其研究成果发表在《Research》上。该研究意义重大，为机器人操作领域的发展带来了新的曙光。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在结构设计上，模仿壁虎脚趾垫的自剥离行为构建机器人抓手模型；通过自制测试装置，对影响抓手性能的关键参数进行实验测试；借助有限元分析（FEA）模拟，深入研究剥离过程中力的变化和应力分布；运用数值分析方法，求解最大剥离力等关键数据，从多方面深入探究抓手的性能和工作机制 。
设计具有精确可调粘附力的机器人抓手
研究人员从壁虎脚趾在抓取和释放模式下的独特行为中获取灵感，提取出剥离模型。据此开发出仿壁虎脚趾垫机器人抓手，它由驱动模块、连接模块和粘附模块组成。该抓手的工作机制是通过电机运动，预先弯曲粘附模块引入预设剥离角 θB，精确调节与物体的接触面积，进而调控粘附性能。在抓取物体时，粘附力足以承受物体重力；释放物体时，通过电机运动使粘附模块弯曲，减小粘附力实现物体释放，且整个过程快速稳定，优于依赖外部刺激的仿生抓手。
抓手的关键设计参数
为实现可靠的抓取和释放，研究人员确定了影响抓手性能的关键参数。其中，最大剥离力 Fmax是重要设计因素，它主要由粘附模块的初始拉拔角 α 和不锈钢片的弯曲刚度 EI 决定。通过自制测试装置进行实验，并结合有限元分析（FEA）模拟，研究发现不同 α 值和 EI 值下，剥离力随时间变化呈现相似规律，均先增大至 Fmax，随后下降，最后因不锈钢片继续变形而再次上升。为减小电机负载，研究确定了适宜的 α 和 EI 值。
剥离机制
由于该研究中粘附模块由粘合剂薄膜和不锈钢片组成，与一般理论剥离模型不同，其理论模型更为复杂。研究人员将整个剥离过程分为稳定阶段和不稳定阶段。在稳定阶段，基于欧拉 - 伯努利梁理论，运用小变形理论分析，通过力学计算和能量方法，求解出最大剥离力 Fmax的表达式。经与实验和模拟结果对比，发现三者吻合良好。同时研究还表明，当裂纹长度 lcrack小于初始裂纹长度 lcrack0时，系统总能量 ΠU>0，裂纹难以扩展；当 lcrack>lcrack0时，ΠU<0，裂纹迅速扩展，剥离过程进入不稳定阶段。
抓手的精确粘附调制
基于剥离机制，研究人员发现引入预设 θB可精确调节抓手的粘附力。通过实验和模拟研究不同 θB值下粘附模块与玻璃表面的接触和分离过程，结果表明，随着 θB增大，接触线 / 面积和粘附力先快速下降，后缓慢下降，当 θB大于约 15.5° 时，二者降为零。研究还得到了名义粘附强度 Pnominal与 θB的指数回归函数，为根据实际应用需求调节粘附强度提供了定量标准。
智能机器人系统的应用
研究人员构建了由转移机器人和抓手组成的机器人系统，展示了该抓手在快速精准操作各种材料方面的广泛应用。在先进实验室中，能高效操作薄、易碎、柔软和可变形物体，如玻璃基板、硅片和聚酯薄膜（PET）等，操作周期短，释放时间快，相比热、光等外部刺激触发的智能材料方法优势明显。在智能生产线上，该抓手可重复操作商业亚克力面板，释放时间短且经多次循环仍保持高粘附性，证明了其鲁棒性。
在这项研究中，研究人员成功开发出仿壁虎脚趾垫机器人抓手，它能在不到 0.5 秒内快速切换粘附力，抓取和释放各种物体。通过系统的实验和理论研究，深入剖析了自剥离模型和机制，确定了关键参数，并实现了精确的粘附调制。这一成果为机器人操作领域提供了新的选择，有望成为各类需要快速精准调节粘附力场景中的新型末端操作抓手，开启了机器人操作发展的新方向。未来，研究人员计划进一步开发可缩放尺寸的抓手，以适应不同操作条件，并通过优化抓手结构和材料，实现对复杂三维和粗糙物体及表面的操作，进一步拓展其应用范围，推动机器人操作技术不断向前发展。
