浙江大学邹俊&唐威：仿生自适应柔性抓手赋能无人机操作
Science Advances 当期封面
抓取操作极大地扩展了无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）的能力，但是现有的用于无人机抓取操作的抓手存在着适应性差、控制复杂、重量大等问题，严重限制了无人机的操作能力。近期，浙江大学机械工程学院邹俊课题组在该方向取得重要进展，课题组在前期研究的基础上——流体动力柔性驱动（Tang,...,Zou*. Nature Communications, 2021；Tang,...,Zou*. Science Advances, 2021；Tang,...,Zou*. Nature Communications, 2023），液气相变驱动（Zhong#, Tang#,...,Zou*. Nano Energy, 2022；Zhong, Tang*,...,Zou*. National Science Review, 2023），无人机飞行控制（Qin#, Tang#,...,Zou*. Advanced Intelligent Systems, 2023）——开展学科交叉研究，研制出一类仿藤蔓形式的、自适应的、一体化自包含的柔性抓手，用于无人机操作，为无人机在低定位精度、无复杂抓取规划环境下的操作提供了新的思路。
国际知名学术期刊Science Advances采用封面论文的形式，报道了来自流体动力基础件与机电系统全国重点实验室这一最新研究成果“Powerful UAV manipulation via bioinspired self-adaptive soft self-contained gripper”。论文全部作者均来自杨华勇院士团队，博士生郭欣雨为论文第一作者，唐威博士和邹俊教授为论文通讯作者。
研究背景
空中抓取极大扩展了无人机的操作能力，但是目前用于无人机刚性抓手极度依赖于精确的模型、传感器反馈以及无人机的高精度控制，这无疑增大了无人机的操作难度。随着软体机器人的兴起，软体抓手被用于无人机的抓取，由于软材料的顺应性，抓手的控制难度有所降低。但是大部分软体抓手的外形仍然像刚性抓手一样，无法实现形状自适应的抓取，如难以实现盆栽这种难度极大的抓取。通过阵列灯丝状的软执行器，一种基于纠缠抓取的软抓手被提出以提高抓取的适应性，但是抓取具有随机性，并且需要体积庞大且笨重的气泵组来单独驱动每一根执行器，这进一步阻碍了他们在无人机领域使用的可能性，由于无人机有限的空间和负载。
受藤蔓植物启发的自适应柔性抓手
在自然界中，藤蔓植物能够依靠外部支撑来垂直生长和增强采光。藤蔓植物在开始生长时，能够依靠自身的缠绕紧紧地将周围的茎干和树枝抓住。在达尔文关于攀援植物习性的论文中，这类藤蔓植物被形容是一种极好的抓手，藤蔓紧紧抓住树枝就像鸟儿栖息在树枝上一样，这种藤蔓称之为藤攀爬者。还有另外一类藤蔓植物，他们的表面上具有钩子一样的结构，能够与支持物体形成互锁，以此来支撑自身的重量实现攀爬，这种藤蔓称之为钩攀爬者。
受藤蔓植物的启发，我们提出了一类自适应的柔性自包含抓手，可以实现无人机在多种环境下各种尺度、各种形状的抓取（视频1）。我们首先设计出两种长管状的柔性偏心圆管执行器，一种表面光滑类似于藤攀爬者，另一种具有表面结构类似于钩攀爬者。然后，我们分别将两种长管状的柔性偏心圆管执行器两端固定成为U形，制造出两种U形柔性偏心圆管执行器（U-shaped soft eccentric circular tube actuators, UCTA），多根UCTA交叉布置组成了两类柔性抓手。两类抓手都能够通电卷曲自适应物体的外形，对物体形成缠绕而实现抓取。
表面光滑的抓手在变形后具有较大的曲率，能够更好地适应物体的外形，适合用于精巧的抓取，例如抓取花朵。而具有表面结构的抓手变形后的曲率相对较小，抓取适应性减弱。但是抓手的负载能力有所提升，由于变形后凸出的表面结构能够和物体形成互锁，这种抓手适合用于抓取重物，例如抓取沉重的石头（图1）。此外，U形设计解决了前述灯丝状执行器抓取随机性的问题，并且赋予了无人机直接通过勾、挂等简单方式抓取物体的能力。与现有的部署在无人机上的抓手相比，我们的柔性自包含抓手在重量、负载、尺寸、响应时间、适应性和位置误差方面均具有优越性。
图1. 柔性抓手的仿生设计策略以及液气相变驱动的变形原理
