可編程材料打造的無(wú)電機(jī)手指，為機(jī)器人提供穩(wěn)定位態(tài)

用可編程結(jié)構(gòu)替代螺絲與鉸鏈，為更多用戶(hù)帶來(lái)更優(yōu)運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。

一款由單一可編程超材料制成的新型手指關(guān)節(jié)，有望簡(jiǎn)化仿生手與機(jī)器人抓爪的設(shè)計(jì)，以更低成本為用戶(hù)提供更佳的舒適性、美觀性與功能性。這一由弗勞恩霍夫卓越集群“可編程材料”（CPM）研發(fā)的系統(tǒng)，無(wú)需電機(jī)或復(fù)雜聯(lián)動(dòng)部件即可保持四種穩(wěn)定位態(tài)，突破了傳統(tǒng)假肢依賴(lài)螺絲、鉸鏈與繁瑣組件的設(shè)計(jì)范式。

來(lái)自多家弗勞恩霍夫研究所的研究人員正攜手推進(jìn)“ProFi”（可編程多穩(wěn)態(tài)手指）項(xiàng)目。他們的目標(biāo)是重新設(shè)計(jì)被動(dòng)式仿生手，提供更直觀的手指控制，同時(shí)確保無(wú)法負(fù)擔(dān)復(fù)雜電子假肢的用戶(hù)也能使用這一裝置。

重構(gòu)關(guān)節(jié)式假肢

帶有關(guān)節(jié)手指的被動(dòng)式仿生手因價(jià)格親民與視覺(jué)逼真而備受青睞。然而，傳統(tǒng)機(jī)械手指需大量連接部件，導(dǎo)致成本、重量和維護(hù)難度層層疊加。

據(jù)新聞稿介紹，ProFi系統(tǒng)以單一可編程超材料取代了整個(gè)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使手指能沿單軸彎曲，并關(guān)鍵性地實(shí)現(xiàn)多角度鎖定。原型手指支持以30度為增量進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，提供四種不同的抓握、放松或手勢(shì)位態(tài)。

研究人員通過(guò)有限元模擬驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在彎曲時(shí)的應(yīng)力分布，據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保關(guān)節(jié)在承受重復(fù)使用的同時(shí)，除既定彎曲路徑外均保持剛性。優(yōu)化后的手指采用熔融沉積成型與選擇性激光燒結(jié)等增材制造技術(shù)，一次性3D打印成型。這種無(wú)組裝制造簡(jiǎn)化了定制流程，而定制化正是重視舒適度與手部自然形態(tài)的假肢用戶(hù)關(guān)注的核心需求。

多穩(wěn)態(tài)原理揭秘

要實(shí)現(xiàn)材料的可編程穩(wěn)定性，需控制其內(nèi)部結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的行為。弗勞恩霍夫科學(xué)家通過(guò)將雙穩(wěn)態(tài)單元晶格集成到關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中達(dá)成目標(biāo) —— 每個(gè)晶格均采用彈性梁結(jié)構(gòu)，可在兩種狀態(tài)間快速切換并在無(wú)持續(xù)外力時(shí)保持穩(wěn)定。

研究人員使用專(zhuān)為可編程材料開(kāi)發(fā)的軟件工具ProgMatCode對(duì)這一行為進(jìn)行建模與優(yōu)化。結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)幾何形態(tài)，多個(gè)雙穩(wěn)態(tài)晶格共同構(gòu)成了無(wú)需電子裝置或能量輸入即可在鎖定位態(tài)間流暢切換的手指。

這種被動(dòng)式多穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)還提升了安全性，尤其在工業(yè)自動(dòng)化抓取物體等場(chǎng)景中，簡(jiǎn)單可預(yù)測(cè)的機(jī)械結(jié)構(gòu)能有效預(yù)防事故。

可編程材料嶄露頭角

該創(chuàng)新是“可編程材料”倡議推動(dòng)材料行為重塑的重要實(shí)踐。可編程超材料的宏觀特性由其結(jié)構(gòu)（而非化學(xué)組成）決定，其內(nèi)部幾何形態(tài)可在外部刺激下改變，從而實(shí)現(xiàn)不同功能狀態(tài)的切換。

此類(lèi)材料有望將整個(gè)系統(tǒng)整合為單一自適應(yīng)部件，減輕重量、提升耐久度，并釋放前所未有的設(shè)計(jì)自由度。機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備與環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域預(yù)計(jì)將從中獲益最多。

新型手指關(guān)節(jié)讓未來(lái)圖景觸手可及：它作為緊湊型可定制機(jī)構(gòu)，替代了多個(gè)機(jī)械部件，支持?jǐn)M真運(yùn)動(dòng)，并使仿生手更易普及、更人性化。

隨著研究推進(jìn)，團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)該技術(shù)將在矯形器與抓握工具中拓展應(yīng)用，推動(dòng)可編程材料融入日常生活。這一進(jìn)展標(biāo)志著仿生手功能與形態(tài)的雙重飛躍，也為需要靈巧卻簡(jiǎn)潔操縱器的機(jī)器人開(kāi)辟了新可能。

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