基于弹性曲梁能量屏障动态调制的双稳态机器人夹爪实现柔性触发与强力抓取

为解决双稳态夹爪能量屏障不可调导致柔性触发与强力抓取难以平衡的问题，研究人员受凤仙花果荚启发，开发了一种集成电机驱动机构的弹性曲梁双稳态夹爪，实现能量屏障原位动态调控（ΔE1→ΔE2）。该夹爪触发力低至0.66 N（柔性），失败力达12.08 N（强力），切换频率40 Hz，屏障调制仅需300 ms，成功应用于无人机（UAV）稳定栖停，为机器人自适应操作提供新范式。

　　

在机器人抓取领域，传统软体夹爪依赖持续能量输入且响应缓慢，而双稳态结构虽能实现快速抓取和被动维持，却因固定能量屏障（energy barrier）难以兼顾柔性触发与强力抓取的矛盾需求。例如，抓取草莓需低触发力避免损伤，但搬运重物又需高稳定性防止脱落。这一矛盾在无人机（UAV）栖停等动态场景中尤为突出——低屏障便于接触树枝，但无法抵抗风力扰动。更棘手的是，现有调控策略如形状记忆合金（SMA）依赖热循环导致延迟，磁控方案则受环境限制。如何仿生实现快速、精准的能量屏障动态调制，成为突破机器人适应性瓶颈的关键。

针对这一挑战，中国某研究机构受凤仙花（Impatiens）果荚成熟期能量屏障动态变化的启发，提出了一种基于弹性曲梁的双稳态夹爪。该设计通过电机驱动滑块曲柄机构实时调节曲梁曲率（ρ₁→ρ₂），实现能量屏障数量级变化（ΔE₁=9.39 mJ→ΔE₂），相关成果发表于《Research》。研究团队采用理论建模与实验验证结合的方法：首先建立几何-力学模型确定临界曲率（ρ₁=0.04 mm^-1），通过有限元分析验证；其次利用高速摄影（500 fps）捕捉25 ms快速切换过程；最后集成红外传感器实现自动屏障调节（300 ms），并通过无人机载重测试验证稳定性。

关键技术与方法
研究采用厚度0.20 mm的PET（聚乙烯对苯二甲酸酯）曲梁构建夹爪核心，3D打印树脂构件组装滑块曲柄机构，通过舵机（15 kg/cm扭矩）驱动曲率调节。利用Phantom高速相机记录瞬态形变，ESM303力学测试机获取准静态力-位移曲线，并整合光学流速传感器（MTP-01P）实现无人机高度控制。

研究结果

1. 通用设计与操作原理：夹爪（质量132.21 g）通过曲梁双稳态切换实现抓取，电机调控曲率使能量屏障从ΔE₁提升至ΔE₂，增强稳定性（图2A）。
2. 临界曲率分析：几何模型显示当支撑间距L_d≤45 mm时，指尖间隙G≤0，确保物体不脱落（图2C）。实验验证30 cm落球触发仅需25 ms（f=40 Hz）。
3. 柔性触发机制：偏心触发（η=26.67%）使最小触发力降至0.66 N，较中心触发降低61.6%（图3F）。厚度T对屏障影响显著，0.05 mm变化可致57.86%波动（图3B）。
4. 强力抓取性能：通过减小L_d（45→25 mm）或增加摩擦，失败力F_f从1.32 N提升至12.08 N，屏障调节使失败-触发力比κ达18.30（图4D-F）。
5. 无人机栖停应用：集成夹爪的UAV在6-7级风况下稳定栖停，并实现环境监测（图6C-D）。

结论与意义
该研究首创了基于曲梁动态调制的双稳态夹爪，解决了传统设计柔性触发（低ΔE）与强力抓取（高ΔE）不可兼得的矛盾。其核心创新在于：①仿生能量屏障原位调控策略，比磁控/热响应方案更快速（300 ms）且环境鲁棒；②通过几何参数优化（如L_d、T）实现性能可编程；③轻量化设计（<150 g）与无人机完美兼容。未来若结合智能材料（如SMA）和3D打印拓扑优化，可进一步拓展至微创手术器械等医疗领域。这一成果为自适应机器人系统提供了普适性设计范式，被《Research》评价为“机械智能与生物灵感的完美融合”。