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本研究针对传统仿人手机器人因结构不对称和单一拇指限制所导致的多目标抓取、自主运动与模块化难以兼顾的瓶颈，提出了一种具有对称可逆手指的可拆卸机器人手。该设计通过优化手指布局与角色分配，实现了双面抓取、脱离机械臂爬行以抓取可达工作空间外的物体、以及多目标同时抓取等功能，为工业、服务和探索机器人提供了操作与自主运动无缝衔接的创新解决方案。
人类双手的精巧与灵巧一直是机器人领域孜孜不倦追求的灵感源泉。然而，仿照人手设计的机器人手，尽管在特定任务上表现出色，却也继承了其固有的局限性：不对称的结构使得其严重依赖唯一的拇指进行对掌操作，这限制了其在需要对称抓取或同时处理多个物体场景下的应用；此外，手被固定安装在手臂末端，其可达工作空间受限于臂展，难以获取落在臂展范围之外的物体。这些限制在工业分拣、灾难救援现场探索狭窄空间或服务机器人拾取跌落物品等实际应用中构成了显著挑战。
为了解决这些问题，发表在《Nature Communications》上的一项研究提出了一种突破性的解决方案——一种可拆卸的、具有对称可逆手指的爬行机器人手。这项研究旨在创造一种能够将灵巧操作与自主运动能力无缝结合的机器人平台。
研究人员首先从生物学中获得灵感，例如章鱼和螳螂虾等生物能够使用同一附肢同时进行移动和操作。受此启发，他们设计了三个核心创新点：一是采用对称结构，使任意两个手指都能构成类似拇指-食指的对掌抓取对，从而支持多样化的精确抓取配置；二是引入了可拆卸的腕部连接机制，使手既能作为传统末端执行器，也能脱离机械臂，作为一个独立的爬行单元在表面上移动，以抓取固定机械臂无法触及的物体；三是手指的可逆性设计，允许手掌的任一面都能用于抓取，无需在特定场景下重新调整手腕姿态。
为了验证设计的可行性，研究团队开发了一套算法流程来优化手的设计。该流程始于手指设计和目标物体集合，通过抓取合成优化生成多样化的抓取原语分类。随后，构建具有不同手指数量和布局的手部配置。对于每种配置，利用遗传算法优化中央模式发生器的参数，以生成爬行步态。这些步态在MuJoCo仿真环境中使用阻抗控制器进行评估，以爬行距离作为适应度指标。最终，将仿真中得到的最优步态通过仿真到现实的方式迁移到真实机器人上进行实验验证。
在机械设计上，每个手指由四个伺服电机驱动，模仿了人类手指的2自由度掌指关节、近端指间关节和远端指间关节的 kinematics。关键之处在于，所有手指结构完全相同，且关节设计允许双向弯曲（±90°），这是实现可逆功能的基础。手掌为圆形，可配置3至8个手指，并通过一个由电机驱动的螺钉机构与机械臂实现可靠的连接与分离。
研究结果部分通过一系列实验展示了该机器人手的卓越性能：
抓取能力评估：实验表明，该手能够熟练执行Feix GRASP分类中的全部33种标准抓取模式。其手指关节活动范围远超人手，提供了显著增强的灵巧性。在力量抓取时，可稳定抓取重达2公斤的物体。更重要的是，它能够同时抓取多达四个物体，实现了多目标灵巧抓取的最新水平，并且能够在抓握多个物体的同时进行爬行。此外，它还展示了非仿生抓取能力，例如，得益于其大范围的MCP关节活动，五指手可以使用任意两个手指进行捏取；六指变体则能够复现拧瓶盖等需要对称接触点的动作。
抓取与爬行的角色切换：实验演示了完整的“脱离-爬行-抓取-返回-重新连接”序列。手部从机械臂上脱离后，落在桌面上，启动爬行控制器，使用部分手指站立和爬行。它能够依次抓取多个物体（如木块和立方体），并将它们堆叠在手掌背面，由未参与抓取的手指轻压固定。在抓取所有目标物体后，手部爬行返回机械臂并成功对接。六指版本展示了同时携带三个物体的能力。
通过可逆性实现故障恢复：对称可逆的设计简化了多目标抓取规划，例如，机器人可以在一侧用两个手指握住瓶子的同时，利用手掌另一侧的手指抓取一盒零食。此外，如果机器人意外翻转，由于其手指的可逆设计，它可以直接从倒置状态站立起来，展现了出色的环境适应性和鲁棒性。
研究结论部分强调，这项工作利用了机器人技术可以不受自然进化约束的优势，通过人工设计和优化方法，创造出兼具操作和移动功能的新型机器人形态。对称设计相比非对称配置在爬行距离上带来了5-10%的性能提升。虽然该机器人手能执行类似人手的常见抓取模式，但其允许任意手指组合形成对掌抓取对的能力，使其在同时多目标抓取和非仿生抓取方面超越了人类能力。对称性和可逆性简化了多目标抓取规划，减少了执行时间和碰撞风险。分析表明，使用4到5个手指能在性能和复杂性之间取得最佳平衡。
这项研究提出的集成化设计方案，通过共享执行器和控制基础设施，在能效上优于独立的移动和操作系统。这种可拆卸、可爬行的对称机器人手设计，为在空间受限或需要多功能交互的真实场景（如工业检测、管道巡查、灾难响应、仓库物流等）中部署机器人提供了新的可能性，极大地增强了机器人操作的灵巧性和多功能性。
