一种用于从跨尺度操作到肢体-工具集成的多功能任务的生物功能仿生机器人

《Advanced Science》：A Bio-Functional Mimetic Robot for Versatile Tasks From Cross-Scale Manipulation to Limb-Tool Integration

　　

灵巧手和机器人操纵器是与不同环境交互的基本物理接口。传统方法通过生物系统的结构仿生（structural biomimicry）来寻求类似生物的灵巧性，但这种策略由于组件堆叠而导致机械复杂性增加和控制挑战。本研究提出了BioflexBot，一种超越结构复制的功能仿生（functional biomimetic）机器人。利用双气室和柔性螺旋弹簧，它实现了三种基本运动：伸展（extension）、膨胀（expansion）和收缩（contraction），仅由两个输入控制。这些核心运动通过优化结构设计实现，解锁了三个不同的功能域，即通过生物功能仿生（bio-functional mimicry）实现类人抓取、超越人类生物极限的自适应生长（adaptive growth）（达到7:1的伸展-收缩比），以及通过工具-手集成（tool-hand integration）增强性能。实验验证表明，BioflexBot可以利用其轻量级、可扩展的设计，操纵比同类系统大12.9倍的物体。该机器人还支持多种应用，包括用于人形机器人的安全末端执行器（end-effector）和在狭窄空间内对航空发动机叶片进行原位检测（in situ inspection）。这项工作证实了生物功能仿生设计使简单的机械结构能够提供强大的多功能性，提供了一种克服机器人操作中多功能性与复杂性之间长期权衡（trade-off）的新颖解决方案。

论文解读文章

研究背景：传统灵巧手和机器人操纵器通过结构仿生（如模仿人手、象鼻）来追求灵巧性，但这种方法依赖组件堆叠，导致机械复杂度高、控制困难，面临多功能性与简单性之间的长期权衡。为解决这一问题，研究人员提出从结构仿生转向功能仿生（functional biomimetic）的设计范式，即抽象生物核心功能并以简单结构实现。本论文发表于《Advanced Science》，介绍了BioflexBot——一种生物功能仿生机器人，旨在以轻量、低成本、低复杂度的方式再现并超越人手功能，适用于跨尺度操作、受限空间检测及人形机器人集成等场景。

主要关键技术方法：研究人员采用双气室系统（APU和APL）与柔性螺旋弹簧的拮抗作用实现变形，通过加热压合工艺（TPU涂层织物与弹簧结合）制造原型。气动控制使用比例电磁阀和步进电机驱动气缸，分别调节压力和体积。通过运动捕捉系统（NOKOV Mars 4H）表征变形，单轴拉力计测量抓取力，搭配视觉引导（YOLOv8算法）和机械臂（Rm75-6F）实现自动化演示。

研究结果（保留各小标题）：

2.1 功能仿生设计方法论：通过分解人手四种操作模式（F-pinch、旋转、钩挂、FP-grasp）及定义超越人手的能力（大尺度抓取、远程操作、受限空间递送、多物体顺序运输），设计出双气室+弹簧结构，利用气袋膨胀力与弹簧回复力的拮抗实现三种变形模式（伸展、膨胀、收缩），仅需两个气动输入。

2.2 结构参数优化与变形表征：优化APL梯形截面参数（a=15 mm, b=20 mm）和弹簧厚度（0.2 mm），通过膨胀测试、压力-变形关系及理论建模，确定最佳抓取尺寸范围（约75 mm直径）和负载能力，并采用双通道APU和体积控制提升伸展精度。

2.3 生物功能仿生表征与可靠性测试：通过F-pinch实验验证对微尺度物体（如90 μm头发）的稳定抓取及精密力控（针灸针、移液操作）；旋转实验实现690°连续旋转（约人手4倍），并完成瓶盖拧开和方轴装配；钩挂实验展示对环形/突出物体的自适应包裹；FP-grasp实验验证大尺寸物体（瓶子、水果）的稳定抓取，理论模型与实验吻合。循环测试（7000次）显示弹簧疲劳在2000次后稳定，气密性达10000次无泄漏，热压接缝强度可控（最大31 N）。

2.4 自适应生长上肢功能演示：大尺度抓取利用7:1伸展比抓取内径30–210 mm的物体；远程操作通过机械臂结合伸展/收缩实现抽屉推拉；受限空间递送穿越35 mm狭缝抓取135 mm外剪刀并返回；多物体顺序运输通过层间压缩同时抓取玻璃杯和笔，依次释放。

2.5 工具-手集成功能演示：串联两个BioflexBot模块构成自推进内窥镜，完成航空发动机叶片阵列六个检测点（包括后缘大曲率检查）；作为人形机器人末端执行器，实现直接抓取、避障抓取及狭窄管道内堵塞清除。

2.6 集成多功能性演示：结合视觉引导和YOLOv8算法，自动完成化学实验（烧杯放置、瓶盖拧开、CuSO₄和氨水取样与混合），验证多模式协调的有效性。

讨论与结论：讨论部分指出，传统结构仿生导致复杂性与控制难题，而BioflexBot通过功能仿生设计实现“四S”原则（简单驱动、智能功能、合理成本、卓越性能）。尽管精度需进一步耦合流固耦合模型，且需发展为无绳平台，但该工作证实了功能仿生设计能使简单结构实现强大多功能性，克服了多功能与复杂性的权衡。研究结论（原文翻译）：本研究确立了一种新型机器人末端执行器范式，其特点为“四S”原则：简单驱动、智能功能、合理成本、卓越性能。其多功能设计解锁了自主实验室、内窥镜检测和敏捷服务机器人等应用，推动了跨行业的可扩展和稳健机器人操作。