章魚作為軟體動物的典型代表而受到研究人員的廣泛關注。其觸手多自由度運動+數以百計吸盤的奇特結構賦予其無與倫比的水下複雜精密操作能力，能快速捕捉小至螃蟹，大到鯊魚。
研究人員發現不同種類的章魚有著不同大小的觸手錐度角，錐度角較大的觸手能提供更大的纏繞力；而錐度角較小的觸手使得章魚可以在狹窄的受限環境下進行自如的操作，鮮有研究針對錐度角這一生物特徵，對章魚觸手的“纏繞+吸附”功能進行研究。
圖1 章魚觸手主要功能分解：纏繞+吸附
2月26日，北京航空航天大學文力教授與哈佛大學Katia Bertoldi教授合作團隊在國際期刊《Soft Robotics》發表了最新的研究成果“OctopusArm-Inspired Tapered Soft Actuators with Suckers for Improved Grasping”。
該研究根據生物章魚觸手具有不同錐度的特點，透過資料統計，仿生設計並製造了集“纏繞+吸附”於一體的章魚觸手（Tentacle Bot），實現了對不同大小、材質，以及狹窄空間環境下物體的有效抓持。北京航空航天大學為該研究的第一單位、第一通訊單位。
該研究涉及到包括生物、機器人、力學等多個研究領域交叉。北航機械學院的博士生謝哲新、哈佛大學博士生August Domel為該文的共同第一作者。機械學院碩士畢業生龔哲元參與機器人的製造及實驗，Festo公司的Elias Knubben參與軟體機器人的設計，哈佛大學An Ning， Connor Green參與了機器人的模擬，哈佛大學JamesWeaver，北京航空航天大學王田苗教授參與了專案論證與討論。文力教授與Katia Bertoldi教授為該專案共同通訊作者。
課題組首先探索了自然界大量的生物章魚觸手的形態學特徵，並從中提取“錐度角”這一幾何參量，發現自然界的章魚觸手的錐度分佈在3度至13。5度。
圖2 自然界種不同種類章魚的觸手錐度角
為了探索錐度角對軟體機器人的影響，課題組利用有限元模擬工具對具有不同錐度角的錐形軟體機器人進行了分析。在不同錐度角下，機器人在彎曲曲率以及彎曲作用力層面上具有不同的變化情況，課題組發現，小錐度角會帶來大的彎曲曲率以及小的彎曲作用力，相反，大錐度角將帶來小的彎曲曲率和大的彎曲作用力。一個完美的錐度角，可以實現對不同大小、重量物體的抓取。
圖3 利用有限元模擬工具實現：生物→仿生機器人
進一步地，研究團隊模擬章魚吸盤的結構及分佈方式將錐形軟體機器人與軟體吸盤相結合，製造出集纏繞和吸附功能於一體的仿生章魚觸手機器人，錐形結構與吸盤分別透過正壓與負壓發生器進行控制。研究團隊對機器人的吸附效能進行了探究。
課題組發現，錐度角同時對機器人的吸附功能有著重要的影響，相比於傳統的圓柱形機器人，錐形機器人不但能提供更大的最大吸附力，在吸盤剝離過程中由於自身的柔性，也能提供更長時間的吸附，不至於快速脫落。仿生章魚觸手機器人能實現對不同粗糙度平面的吸附。
另外，透過結合彎曲功能，機器人能調節彎曲角度實現對曲面的貼合吸附功能，進一步擴大了可吸附物體的範圍。
圖4：仿生章魚觸手機器人吸附效能測試
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章魚錐度軟體驅動器 vs。 傳統圓柱軟體驅動器吸附效能
結合了纏繞與吸附兩種抓取方式使得機器人能夠更為快捷、方便地抓取各種大小、材質、重量的物體，小至直徑20mm的試管，雞蛋，大到直徑750mm的瑜伽球，機器人都能快速穩定地抓起。
此外，與機械臂相結合，機器人能實現半自主的“吸附-纏繞-傳遞-交付”動作，為工業使用提供了可能性。機器人錐狀的外形更是賦予其穿過狹窄的洞口取出內部物體等類似生物章魚觸手的能力。這項研究工作提出的結合纏繞+吸附的抓持方式，為軟體機器人提供了新的設計思路，並將對章魚觸手生物力學機理意義提供新的理解。
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該專案得到了國家自然科學基金優青專案，重點專案，共融機器人重大研發計劃，Festo橫向課題等專案的支援。
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文稿來源：機器人大講堂
圖片來源：相關論文
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