西安科学家研发“最温柔的机械手”，夹果冻也不会破，还能上天下海采集标本 | 专访

西安科学家研发“最温柔的机械手”，夹果冻也不会破，还能上天下海采集标本 | 专访

夏天来了，树莓和荔枝都在陆续上市。对于手部残疾的人来说，如果没有家人帮助他们该如何吃这种颗粒状水果？来自中国西安的科学家杨溢，研发出一款剪纸机械手 （Kirigami gripper），可帮助手部残疾

夏天来了，树莓和荔枝都在陆续上市。对于手部残疾的人来说，如果没有家人帮助他们该如何吃这种颗粒状水果？

来自中国西安的科学家杨溢，研发出一款剪纸机械手 （Kirigami gripper），可帮助手部残疾者，把树莓从框子里夹取到目的地，比如盘子或者手掌上，这样就能直接把水果送到嘴里。

它还能夹取小夹子等物品。

甚至连大一点的矿泉水瓶也可以抓取。

对于果冻一样的软球球，也可以夹取，并且不会弄破。

此外，还可串联夹取。

也可串联和并联混合夹取，从而实现 “一键多联”。

该机械手还能帮助手部残疾者去抓取药片。

图 | 抓取药片（来源：受访者）

据悉，杨溢目前在美国波士顿大学工程学院道格拉斯・福尔摩斯 （Douglas Holmes）课题组读博。

本次其担任一作的论文《通过剪纸壳完成抓取》（Grasping with kirigami shells）发表在 Science Robotics 五月刊上。

图 | 相关论文（来源：受访者）

据杨溢介绍，该研究灵感来自剪纸。英文中剪纸这个单词 Kirigami，是从日文引进而来的，Kiri 就是 “切” 的意思，Kami (gami) 是 “纸” 的意思。

图 | 杨溢（来源：受访者）

Kirigami 和中国传统剪纸艺术非常相似，即把纸张剪裁、镂空、雕刻得到的图案，比如花、鸟、风景、人物等。研究中，他把剪纸几何图形作为一种设计方式，在外力之下剪纸会发生变形，进而会产生一些动态效果如弯曲和旋转，通过这些动态效果即可实现机械手抓取。

基于剪纸的薄壳弹性屈曲变形，他发明了一个机器手抓取的力学与运动机理，通过一个简单通用的柔性机构，该机器手可实现精准抓取。

机器人的设计选择了剪纸切纹，这主要基于此前杨溢的一项关于多稳态剪纸构型的研究。当把这些剪纸切纹进行排列，并在切割后放置在薄壳结构上，通过外在荷载的作用，薄壳会发生屈曲变形，这种变形也是动态可复原的。

图 | 薄壳和树莓（来源：受访者）

利用该变形过程，薄壳可实现抓取功能。在完全闭合后，薄壳本身会形成一个中空囊结构，且能用于物体抓取，而薄壳边缘就像触手一样，也能夹取物体。

薄壳和薄壳边缘的结合，可实现模拟人手的 “握” 与 “捏” 的功能，而且还能轻易抓取类似果冻这种表面光滑、易损坏、易变形的物体。

此外，薄壳的结构非常简单，它的尺度可放大、可缩小。在缩小后可实现毫米级物体的精准抓取。

图 | 剪纸薄壳的几何构型与作为机器手的抓取方式（来源：受访者）

为了演示驱动缓冲能力，杨溢将薄壳连接到由工业机械臂驱动的市售两指机器人抓手上，这样就能抓握各种物体，如石头一样的刚性物体，以及树莓一样的柔软易碎物体。要在不损坏目标物体的情况下执行任务，就得根据目标大小和刚度，去调整夹子的移动距离。

使用常见塑料瓶，成本较低

在薄壳的制作上，杨溢使用的是聚对苯二甲酸乙二酯（PET） 薄板，这是一种常见的塑料片，厚度大概 0.125 毫米。

制作中，先通过激光切割将 PET 薄板裁出剪纸纹排列，再把切割好的剪纸薄板放在金属圆柱上加热定型，这时就能获得剪纸薄壳。

图 | 剪纸薄壳的制作与轴向拉伸下的变形（来源：受访者）

由于薄壳具有一定的曲率，因此可以诱导屈曲变形。另外，单个剪纸薄壳还可进行串联和并联，从而以阵列形式抓取多个物体。

在研发薄壳串并联的过程中，杨溢先研究了单个剪纸薄壳的平面抓取区域，然后确定了串联后的剪纸薄壳的平面抓取区域，即可设计为单个剪纸薄壳抓取的叠加。

串联后的剪纸薄壳可以自动排列，并能一次抓取所有大小不一的球体。把剪纸薄壳先串联再并联，即可形成薄壳阵列。在一定条件下，使用 3x8 的剪纸薄壳阵列，可以精确抓取、并转移 24 个等大的球。

图 | 串联夹取和并联夹取（来源：受访者）

而用不同的夹子夹取砂砾，这是因为研究中针对砂砾，杨溢探索出两种夹取方式：第一种是把剪纸薄壳缩放到相同尺度，比如砂砾直径 0.5 毫米，那就把薄壳制作到只有 5 毫米左右长或宽；第二种办法是把边缘触手的形状做成细长形。第一种他也做过，但是拍摄不太方便，于是只展示了第一种方法的效果。

如下图所示，夹取矿泉水瓶用的夹子更大。当时，杨溢预计这个剪纸薄壳适用于相对较小的尺度，如果采用大结构尺度，就难以具备超出传统机械手的优势。目前薄壳可抓住自身重量 500-800 倍的物体。

图 | 夹取矿泉水瓶（来源：受访者）

谈及单个抓取、单排串联抓取、多排并联抓取之间的不同，杨溢表示这几个动作之间无法切换。单个抓取是把单个剪纸薄壳连接到传统机械臂上。并联和串联则用于同时抓取多个物体。当然，处于并联模式和串联模式时，机械臂也能只抓取一个物体，相当于其他抓手停止工作。

由于薄壳机理是基于力学原理，因此对于制作材料本身并不完全依赖。所以杨溢还结合了硅胶材料和铁磁性材料，从而实现以磁控的方式进行快速抓取。

能下海、可上天

他表示，无论在设计上、还是在制造上，该机械手的最大特点就是简单，体积大小可以轻易缩放，正因此能和传统商业机械臂结合，还可制成方便易携的夹取工具。

一般来说，虽然与刚性机械手相比，软性机械手的力传递有限，但它们的适应性更强，可对不规则形状的物体进行自主抓握和操作，特别是在紧凑空间和非结构化环境中。

在应用上能下海、可上天，比如去深海采集标本，或者到火星地表采集样本。在日常生活中，可以作为无法做精确抓取的人群如中风患者、手部残疾者的抓取辅助工具；在食品生产上，可用于食物的自动化包装。

（来源：受访者）

谈及成本他表示，抓手制备非常简单。抓手的剪纸图案，是一个四瓣花外型，中间部分由镂空的四条直线形状的刻纹组成，然后将这些剪纸纹路刻在一个有弧度的薄壳上。雕刻图案的方式可以是手工切割，也可以使用激光切割。杨溢也尝试过使用硅胶材料，照样能实现抓取功能。

提到研究中难忘的事情，杨溢说，该研究从萌发想法、到文章投稿耗时两年时间，最初灵感是他在前一个研究项目的实验中偶然观察到的，当时就觉得可以用来做机械手，但他对机械手并不了解，所以花了很久去学习文献。

疫情期间不能去实验室，白天在家要监督孩子上网课，晚上两个孩子睡了才能学习，那段时间他利用晚上时间，做完了理论推导和有限元模拟，这也是本次研究的核心部分。

而他本身的求学经历也非常 “慢工出细活”，杨溢是西安人，大学本来想考北京航空航天大学，因为没考上就去了家附近的长安大学，学的是桥梁工程。

但他对本专业不是很感兴趣，本科毕业来到美国德州农工大学读硕士，学习土木工程，研究方向是流固耦合震动，后进入该校航空与宇航工程系攻读博士，读了一年觉得所研究项目并不合适自己，所以就转成了硕士，自此开始了比较迷茫的探索期。

后来，研究方向又从计算流体动力学、换到复合材料，第二个硕士毕业后因为没有申请到博士没，就踏入社会找工作做海洋结构工程师，工作内容是设计海上石油钻井平台。

但他还是喜欢做科研，一边工作一边看文献，并继续寻找读博机会，最后波士顿大学的福尔摩斯教授给了他博士学习机会。

2016 年秋，杨溢开始读博，他说自己的求学经历不具代表性，只是从来没有放弃过。博士毕业后，他打算先找个博后做做，然后找个教职，做科研的同时也教书育人，激励一代又一代的曾经的自己。