【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員課題組受章魚觸手肌肉驅(qū)動(dòng)與本體感知機(jī)制啟發(fā)，研發(fā)出一種集驅(qū)動(dòng)與感知于一體的全向軟體觸手。該觸手能夠?qū)崿F(xiàn)全向彎曲運(yùn)動(dòng)，借助人工肌肉內(nèi)部雙螺旋導(dǎo)電纖維線圈的自感知反饋實(shí)時(shí)重建自身三維形態(tài)，并可在完全黑暗和負(fù)載條件下完成精準(zhǔn)軌跡跟蹤。研究團(tuán)隊(duì)通過單觸手與雙觸手系統(tǒng)完成了物體分揀、咖啡制作與表面清潔等任務(wù)，為自感知人工肌肉從單一驅(qū)動(dòng)單元走向具備自主感知、閉環(huán)控制與協(xié)同操作能力的智能軟體機(jī)器人系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)思路。7月8日，該成果以“Octopus-inspired perceptive soft tentacles for versatile coordinated manipulation”為題正式發(fā)表在Cell Press旗下期刊《器件》(Device)上。
 

　　面向復(fù)雜環(huán)境中的柔順操作需求，軟體觸手不僅需要具備靈活的大范圍變形能力，還需要實(shí)時(shí)獲取自身姿態(tài)。然而，由于軟體結(jié)構(gòu)具有高自由度、大變形和強(qiáng)非線性等特點(diǎn)，其空間形態(tài)往往難以準(zhǔn)確描述；外部視覺又容易受到遮擋、光照和空間條件限制，而額外集成傳感器還可能增加結(jié)構(gòu)與布線的復(fù)雜度。因此，如何在保持柔順性的同時(shí)，讓軟體觸手準(zhǔn)確感知自身形態(tài)，成為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制與復(fù)雜操作的關(guān)鍵。
 

　　針對(duì)這一問題，基于前期自感知人工肌肉研究，團(tuán)隊(duì)將三根雙螺旋纖維增強(qiáng)人工肌肉組合成仿生肌肉束。當(dāng)不同人工肌肉產(chǎn)生差異伸長(zhǎng)時(shí)，觸手便可以向不同方向自由彎曲。更巧妙的是，纏繞在人工肌肉內(nèi)部的導(dǎo)電纖維不僅能夠約束和引導(dǎo)肌肉變形，還像一套內(nèi)置的“感知網(wǎng)絡(luò)”，通過電感變化實(shí)時(shí)反映人工肌肉的伸縮狀態(tài)。
 

　　由此，觸手在運(yùn)動(dòng)過程中也能夠持續(xù)感知自身的形變狀態(tài)。但僅僅獲取肌肉的伸縮變化還不夠，團(tuán)隊(duì)還希望讓觸手真正“知道自己彎成了什么樣”。基于自建的多相機(jī)視覺標(biāo)定平臺(tái)，研究人員采集了觸手在無負(fù)載下不同姿態(tài)的感知信號(hào)與空間形態(tài)數(shù)據(jù)，并據(jù)此訓(xùn)練了形態(tài)獲取網(wǎng)絡(luò)，建立了自感知信號(hào)與三維形態(tài)之間的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)映射關(guān)系。僅依靠自身的感知信號(hào)，觸手便能夠?qū)崟r(shí)重建自身三維形態(tài)，歸一化平均重建誤差約為1.6%；為進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的泛化能力，在40克(自重的0.87倍)負(fù)載條件下進(jìn)行了測(cè)試，整條觸手多個(gè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)的平均重建誤差為1.56毫米。此外，在外力牽拉造成的被動(dòng)變形以及快速氣壓切換引起的高速運(yùn)動(dòng)條件下，系統(tǒng)依然能夠連續(xù)感知自身姿態(tài)變化并實(shí)時(shí)重建三維形態(tài)。這意味著，這條柔軟的觸手不僅能夠感知主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，還能捕捉被動(dòng)形變和快速動(dòng)態(tài)變化，真正具備了“感知自身形狀”的能力。
 

　　能夠“知道自己彎成什么樣”只是第一步，更關(guān)鍵的是讓觸手能夠依據(jù)自身感知實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)�；趯�(shí)時(shí)三維形態(tài)重建，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了感知驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制框架，使觸手能夠利用自身感知反饋不斷修正運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種軌跡的精準(zhǔn)跟蹤。在自身感知反饋的幫助下，軟體觸手能夠在無視覺以及負(fù)載條件下完成T形、C形、方形、H形、心形、圓形和8字形等多種軌跡跟蹤。不同負(fù)載條件下，軌跡跟蹤平均絕對(duì)誤差小于1.514毫米，展現(xiàn)出良好的控制精度與穩(wěn)定性。
 

　　在實(shí)現(xiàn)自主感知與精準(zhǔn)軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將全向感知軟體觸手用于多種日常物體操作任務(wù)。單觸手末端集成柔性吸盤后，可利用自身形變產(chǎn)生的感知信號(hào)判斷接觸狀態(tài)，并完成咖啡制作、多物體吸取與分類等連續(xù)操作；面對(duì)不同形狀和尺寸的目標(biāo)時(shí)，還能夠主動(dòng)調(diào)整自身姿態(tài)與吸盤角度，提高對(duì)異形物體的接觸適應(yīng)能力。
 

　　進(jìn)一步地，兩條軟體觸手組成雙觸手協(xié)同系統(tǒng)，可通過抓取過程中的形變變化感知不同物體的尺寸，并完成吐司制作、壽司與醬料盒抓取等任務(wù)。即使面對(duì)柔軟、易變形的海綿，雙觸手也能感知持續(xù)接觸狀態(tài)，并完成擦盤子操作，體現(xiàn)出對(duì)柔性物體和復(fù)雜接觸過程的良好適應(yīng)性。
 

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士生汪宇峰為論文第一作者。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院王洪波研究員為論文通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院引才計(jì)劃青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、安徽省科技攻堅(jiān)計(jì)劃重大項(xiàng)目、中央高�；緲I(yè)務(wù)費(fèi)以及人形機(jī)器人研究院重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。
 

　　近年來，該團(tuán)隊(duì)圍繞自感知人工肌肉與智能軟體機(jī)器人持續(xù)開展研究，提出了集驅(qū)動(dòng)與長(zhǎng)度感知于一體的雙螺旋纖維增強(qiáng)氣動(dòng)人工肌肉(IROS 2024)，并以此構(gòu)建多模態(tài)柔性移動(dòng)機(jī)器人。通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析移動(dòng)機(jī)器人的自感知信號(hào)，機(jī)器人可識(shí)別不同外界刺激，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到99.28%，并實(shí)現(xiàn)爬行、轉(zhuǎn)向、側(cè)移、翻滾以及環(huán)境感知與自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)，成果以“A soft perceptive multimodal locomotion robot via double-helix fiber reinforced artificial muscles”發(fā)表于《The Innovation》。此外，團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了兼具本體感知與觸覺感知能力的仿生軟體手指，實(shí)現(xiàn)了彎曲形變與接觸力的自解耦感知，并可用于物體軟硬度識(shí)別、觸診及人體把脈。成果以“Toward human-like touch sense via a bioinspired soft finger with self-decoupled bending and force sensing”發(fā)表于《Cell Reports Physical Science》。
 

　　引用：中國(guó)科大研制集驅(qū)動(dòng)感知于一體的仿章魚智能柔性觸手 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年7月13日】