具有刚-柔-软结构的人形手指

软体机械抓手虽能灵活安全地操作各类物体，但其输出力和稳定性仍不及刚性抓手。如何在施加高力的同时精准操控微小或易碎物体，仍是研发领域的重要挑战。本研究设计了一种刚柔软三元结构的人形手指，由刚性管状骨骼、具备自动复位功能且抗外力变形的柔性关节弹簧，以及柔软硅胶表皮构成。骨骼与表皮之间配置了气动膜片执行器。通过搭建多种抓取装置进行测试，包括抓取豆腐、捏取0.1毫米纸张、持握23.2厘米篮球及支撑5.275公斤重物等实验。该创新设计显著拓展了刚柔软三元结构机器人的应用领域。

文章创新点：

提出“刚 - 柔 - 软”三元一体仿人手指结构设计，有机结合刚性骨骼、柔性关节弹簧与柔软表皮，为软体抓手解决力输出与精细操作矛盾提供新路径。

集成气动膜片执行器实现主动驱动与力控，兼顾大负载与对微小易碎物体的温和操作。

通过实验验证结构在多重抓取场景中的卓越性能：可捏取0.1毫米纸张、稳定抓取豆腐、持握篮球并支撑5.275公斤物体。

实现抓取力与操作精度协同提升，突破传统软体抓手技术瓶颈。

拓展刚 - 柔 - 软复合结构机器人应用边界，为相关结构设计与控制提供新思路，有望推动其在多领域应用。

研究背景

随着机器人技术发展，各类机器人广泛应用于多领域。其中，机械抓手实用价值高，受广泛关注。传统机械抓手由刚性材料制成，输出力大、响应快，能精准抓取重型固体物件，但与易碎物品交互时易致其破损。

为解决此问题，有两种方案。一是改进刚性机器人设计与控制策略，如引入冗余自由度、借助额外传感器实现精密反馈控制，但会增大抓手制造与控制难度。二是研发柔性抓手，其由易形变材料制成，机身柔顺，安全性高，操作简便、设计简洁、易于制造，可应用于多领域，但存在输出力小、稳定性不足的问题。

近年来，机器人在多行业应用范围扩大，催生对高性能柔性机械手的迫切需求，这些行业要求抓手兼具高强度、稳定性、灵活性与安全性。部分研究人员尝试引入变刚度结构，如方等人提出的多模式柔性机械抓手，可完成多种抓取任务，但结构复杂；水岛等人研发的多指机械手，具备物体形状适应性，但抓取超薄物件有挑战。

在此背景下，刚柔耦合结构机械抓手研发受关注，其通过刚性与柔性材料协同搭配发挥优势。科研人员探索多种设计方案，如搭载柔性驱动器、包覆柔性连续体结构、模拟人类手指结构等。这类设计虽提升综合性能，但应对特殊物件抓取任务仍有局限。

当前，研发兼具刚性手指高承载能力与柔性手指特性、结构简洁、适用范围广的机械手极具挑战性。受人类手指结构启发，本研究设计了刚 - 柔 - 软三级结构拟人化手指（HFRFSS），由刚性管状骨骼、柔性关节弹簧与柔性硅胶表层构成，通过气动薄膜驱动器控制。该手指整合了多种结构优势，综合性能接近人类手指，抓取尺寸范围广、承载能力强、柔顺性好。

结果解析

HFRFSS 具有不同属性的任务

HFRFSS 性能试验研究

HFRFSS 夹持器可抓取不同质量、硬度、形状和尺寸的物体

这款配备 HFRFSS 的人形手能完成一系列动作

研究结论

机器人应用领域拓展对拟人化手指综合性能提出挑战，本文完成刚 - 柔 - 软三级结构拟人化手指（HFRFSS）的设计、制备与性能测试。该设计整合刚、柔、软结构优势，刚性管状骨骼与柔性关节弹簧组合保障刚度、稳定性及抗非自然形变能力，气动薄膜驱动器输出柔顺抓握力，柔性硅胶表层提升耐用性等。

实验表明，HFRFSS作业时柔顺、稳定、灵活且安全，搭载它的机械抓手能高效抓取不同质量、硬度、形状及尺寸物体，兼具制备简便等优势，在非结构化环境可替代人类手指，为多领域提供选择。对比实验显示，HFRFSS各项力学性能指标显著优越。

已有研究通过精巧设计提升抓手性能，如参考文献[27]的柔性手指使抓手具备变刚度特性与多模式抓取功能，参考文献[42]的刚柔耦合手指可稳定抓取重物。HFRFSS灵感源于人类手指，仿生设计使其具备多任务适应性，可实现多种类人化抓取模式，适用范围广，但与人类手指仍有差距，手指各节段最优长度与尺寸参数及肌肉组织仿生学研究有待深入。

未来研究将改进优化驱动方式，模拟人类手指结构提升力学性能，计划研发高性能机械手，借助有限元分析等方法研究其稳定性与受力分布规律，探索最优抓取策略。

技术来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65367-x