一段時(shí)間以來，我們一直在聽說“雙穩(wěn)態(tài)”裝置，這種裝置可以在不消耗任何能量的情況下保持兩種狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)裝置是一種能夠在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換的張緊裝置，但它們不需要電力來保持在任一狀態(tài)。一種受植物種子莢啟發(fā)的新型裝置，采用機(jī)器人夾持器的形式，既堅(jiān)固又易于激活。

金屬發(fā)夾就是日常生活中很好的例子，這些物品可以通過接觸來抓住物體。對(duì)于這些物品而言，通常我們不希望為了觸發(fā)抓取固定動(dòng)作而施加很大的壓力 - 這意味著希望抓取器具有較低的“能量屏障”。

問題在于，能量勢(shì)壘較低的雙穩(wěn)態(tài)裝置通常沒有足夠的力量抓住它們所抓取的物體。換句話說，它們很可能會(huì)失去對(duì)重物或被外力拉動(dòng)的物體的控制。

我們需要的是一個(gè)抓取器，它在最初抓取物體時(shí)具有較低的能量壁壘，但一旦抓住物體，其能量壁壘就會(huì)增加。當(dāng)需要釋放物體時(shí)，能量壁壘會(huì)再次降低。

考慮到這一要求，一組中國科學(xué)家研究了鳳仙花的雙穩(wěn)態(tài)種子莢。

只要豆莢里的種子還未成熟，無法散播，豆莢就會(huì)保持較高的能量屏障，使其難以被觸發(fā)。然而，一旦種子成熟，這種能量屏障就會(huì)減弱。因此，即使是雨滴的壓力也足以使豆莢將種子射到周圍的土壤上。

仿生雙穩(wěn)態(tài)夾持器示意圖

這款受鳳仙花莢啟發(fā)的抓取器包含兩個(gè)用于抓取的“手指”，其底部分別連接到一根彈性梁的兩端。連接手指和梁的兩個(gè)夾鉗又分別連接到一根由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸上。

在夾持器的默認(rèn)中性狀態(tài)下，橫梁是平的，不受拉力。然而，當(dāng)需要抓取物體時(shí)，軸會(huì)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致橫梁略微向上彎曲。這使它處于受拉的雙穩(wěn)態(tài)，能量勢(shì)壘較低。

因此，當(dāng)將夾持器放置在物體周圍時(shí) - 并且該物體壓在向上彎曲的梁上 - 它會(huì)導(dǎo)致梁彈入向下彎曲的方向，同時(shí)將手指拉向物體周圍。

一旦發(fā)生這種情況，軸就會(huì)向相反方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致梁進(jìn)一步向下彎曲。這會(huì)增加其能量屏障，從而增強(qiáng)并固定夾持器對(duì)物品的抓取力。

在該技術(shù)的演示中，其中一個(gè)夾持器被安裝在一架四軸飛行器無人機(jī)的頂部，使無人機(jī)能夠懸掛在樹枝、欄桿等物體上，而無需懸停在原地。雖然橫梁電機(jī)在調(diào)節(jié)橫梁張力時(shí)會(huì)消耗一些電力，但保持對(duì)物體的抓握無需電力。而傳統(tǒng)的夾持器則不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

研究中使用的無人機(jī)

“我們的機(jī)器人夾爪響應(yīng)速度快，交互力可編程，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔高效，為下一代機(jī)器人系統(tǒng)開辟了新途徑，”中山大學(xué)吳嘉寧博士說道。吳博士與大連理工大學(xué)彭海軍博士共同領(lǐng)導(dǎo)了該項(xiàng)目?！斑@種獨(dú)特的機(jī)制可以顯著擴(kuò)展機(jī)器人的功能，使其能夠應(yīng)用于各種領(lǐng)域。”

有關(guān)這項(xiàng)研究的論文最近發(fā)表在《研究》雜志上。