软体机器人领域的研究一直致力于模仿生物的运动和交互方式，以便更好地适应复杂的环境并执行各种任务。章鱼是一种典型的软体生物，以其独特的弯曲传播运动和触手吸盘的高度灵活性而闻名。章鱼在捕捉猎物时展示了触摸、感知和执行的整合方式。其弯曲传播运动是通过从根部开始的简单但独特的肌肉激活波动，迅速传播到触手的末端，使章鱼能够迅速抓取并移动目标。这种运动方式对于模仿和理解生物运动控制模式，以及应用于软体机器人的设计具有重要意义。
2023年11月29日，北京航空航天大学机械工程与自动化学院文力教授团队，通过模仿章鱼的动作和特性，将感知/处理网络与章鱼触手的传播运动相结合，创造出一种称为电子集成软体章鱼臂（E-SOAM）的机器人系统。E-SOAM由气动驱动，包括一个由五个软体节段构成的连续软臂和一个作为末端夹持器的部分，内嵌有电子网络。末端夹持器具有类似章鱼神经的液态金属网络，能够在高度变形的状态下处理弯曲和吸盘的感知信息。E-SOAM利用章鱼的弯曲传播策略来伸展触手，同时通过可拉伸的液态金属电子电路，可以通过人类戴在手指上产生吸附感的手套进行双向控制。该研究成果以“Octopus-inspired sensorized soft arm for environmental interaction”为题，发表在Science Robotics期刊上。共同第一作者为Zhexin Xie，Feiyang Yuan，Jiaqi Liu，Lufeng Tian。
同期Bianca Nogrady在Nature发表了题目为“How does it feel to have an octopus arm? This robo-tentacle lets people find out”的评论，评论指出这项研究为设计可拉伸电子集成的仿生自主系统提供了有价值的见解，这些系统可以模仿生物动作，并能与人类和不同环境互动。
【E-SOAM】
E-SOAM是一个具有高度柔性和仿生感知功能的机器人系统，旨在模仿章鱼的运动和感知能力，并通过与人类的交互接口，使其能够在复杂环境中执行任务。它主要特点包括：
1. 软体章鱼臂：E-SOAM是一个软体机器人系统，模仿了章鱼的软体、柔韧和可变形的特性。
2. 弯曲传播动作：参考章鱼的弯曲传播运动，E-SOAM能够实现类似的运动模式，使机器人臂部能够传播并抓取目标。
3. 液态金属嵌入感知系统：E-SOAM末端夹持器嵌入了液态金属传感器，模仿章鱼的感知系统，能够感应弯曲、吸附和温度等信号。
4. 人机交互接口：机器人系统配备了一种可穿戴的液态金属手指手套，允许人类操作者通过手指动作来远程控制E-SOAM，并且接收来自机器人的触觉反馈。
图1. E-SOAM用于在复杂环境中进行人机交互操控。(A) E-SOAM操控特写及设计描述。
展示了章鱼执行其经典的弯曲传播动作。在章鱼捕捉猎物时，臂部和吸盘神经发挥着重要作用。E-SOAM机器人展示了一种弯曲传播版本来抓取目标。嵌入在末端夹持器中的液态金属模拟了章鱼的神经和感知能力。人类使用基于液态金属的软性可穿戴手指手套，带有双向反馈回路。触觉装置根据E-SOAM的吸盘感应产生触觉刺激，并将其发送给人类用户，后者可以利用此输入来调整对E-SOAM的控制。（B至E）人类操作下的E-SOAM在水下的垂直操作，抓取与抓握。（B）当人类操作者向左移动手指时，E-SOAM向左传播（E，t1），而漂浮的玩具鲨鱼“游”开并逃走了。（C）当操作者向右转动肘部并向下移动手指时，E-SOAM从其原始平面向右旋转（t2）。随后，操作者移动手指以控制机器人的弯曲（t3），当吸盘附着到水面上的物体时，在人手指上产生吸盘触觉（t4）。（D）在物体被稳定抓取后（t5），将其拉回水中（t6）。
【末端夹持器内嵌电子装置】
SOAM的末端夹持器，内嵌了液态金属电子系统，能够感知、处理并传输弯曲、吸附和温度信号。研究团队设计了高度可拉伸的电子电路，解决了软性基底与硅电子组件连接时的脱层问题。通过引入梯度材料设计，减少了应力集中现象，提高了电路的可拉伸性能。末端夹持器的液态金属传感器嵌入吸盘，使其能感知并模拟弯曲曲线，通过实时反馈进行运动模型构建。吸盘的感知系统能感知吸附和脱附行为，末端夹持器具有在限制环境中自主完成任务的能力。
图2. 内嵌液态金属电子系统的软体机器人末端夹持器
【软臂的弯曲传播】
研究团队通过观察生物章鱼的动力学行为，开发了软臂的简单且可重编程模型。他们发现章鱼弯曲传播运动分为两种模式：一种是直接的点对点到达运动，另一种是较大范围的扫描运动。通过数学模型，可以描述这两种运动模式，并用于控制 E-SOAM 的运动。经过模拟和离散化处理后，研究团队成功实现了 E-SOAM 在不同模式下的运动控制，并展示了末端夹持器在自主抓取任务中的应用。
具体而言，他们通过观察章鱼的动态行为，确定了四个关键变量来描述软臂的姿态：臂的总长度、弯曲点到臂根的距离、弯曲曲率和偏转角度。基于这些观察结果，团队使用极坐标下的经典方程来建立模型，描述了章鱼的弯曲传播运动，包括点对点到达和扫描两种模式。经过建模和离散化处理后，他们成功将这些模型应用于 E-SOAM 控制，展示了其在点对点到达和扫描模式下的运动轨迹。在实验中，E-SOAM 成功实现了在不同模式下的运动控制，并能够在自主抓取任务中展现出点对点和扫描两种模式的使用。
图3. 基于仿生弯曲传播模型的E-SOAM运动
图4. E-SOAM的伸展和扫掠运动比较
【人类触觉界面】
首先展示了基于液态金属电路的软性可穿戴手指手套，用于与 E-SOAM 进行交互式控制。这个手指手套具有两个主要功能：一是捕捉人手指的姿势和弯曲运动，以控制 E-SOAM 的运动；二是将吸盘夹持器的触觉反馈传输到手指上。手套内部的惯性测量单元（IMU）传感器能够测量手指的加速度和姿态，通过这些数据控制 E-SOAM 朝向目标的运动。手套顶部的应变传感器则捕捉手指的弯曲动作，以调整末端夹持器的弯曲程度。另外，手套内部还设置了三个吸盘，用于将机器人的吸盘触觉反馈转换为手指上的实际感觉。实验结果表明，操作者通过移动手指就可以远程控制 E-SOAM 的运动，甚至可以单纯依靠触觉反馈让机器人搜索和抓取目标。通过手套内的吸盘触觉，操作者可以感知附着对象的软硬程度，并能在闭眼的情况下使用 E-SOAM 进行抓取任务。
图5. 利用触觉反馈指导E-SOAM控制的平面弯曲传播
【小结】
相较于依赖外部视觉反馈的连续操作器和通过电缆传输信号的软传感器，E-SOAM集成了高度可拉伸的全身电子电路，包括多个传感单元（弯曲、吸附和温度）、IC处理模块和无线通信模块。它具有可伸缩的六节段机体，性能优于其他可伸缩机器人，因为随着节段数量的增加，其他机器人的控制难度也随之增加。E-SOAM采用了章鱼的弯曲传播运动控制策略，提供了大范围的工作空间，同时保持了恒定且低复杂度的控制系统。与先前描述的软连续操作器相比，E-SOAM具有双向人机交互控制界面，可由佩戴的手指手套在人手指上产生吸附感觉，操作者可以使用单根手指与之交互控制机器人进行平面和立体的抓取动作。E-SOAM的开发建立了软体机器人、人类和环境之间统一的交互模式，并拓展了可拉伸电子集成生物启发式自主系统在大范围内的交互操作能力。
在当前的局限性方面，液态金属传感/处理网络仅集成在末端夹持器中，而章鱼的感知反馈覆盖整个臂部，从而拓展了其感知和操作范围。未来，研究团队计划将传感/处理网络扩展至整个 E-SOAM 的臂部/吸盘。另外，尽管施加在人手指上的触觉反馈对 E-SOAM 的控制提供了重要指导，但需要额外的真空供给，部分限制了人类操作者的移动。未来的研究建议采用先进技术，如可穿戴流体泵或振动系统，实现完全无线和无束缚的人机可穿戴界面。最后，章鱼除了弯曲传播运动外，还能执行更复杂的动作。E-SOAM多余的自由度使其能够执行更多样化、更复杂的类章鱼动作，这值得进一步探索。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh7852
https://www.nature.com/articles/d41586-023-03759-z
来源：BioMed科技
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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