哈佛大学最新微型夹爪可抓取自重30倍的物体，可搬运微小芯片等
导读
微型机器人指的是尺寸以毫米或者微米计量的机器人，它们结构精巧，通常由智能材料驱动，例如具有压电效应的电活性材料。虽然现在很多微型机器人都展示了不错的运动能力，但它们还缺少一个关键的部件，那就是能够有效进行物体抓取，和环境交互的“夹爪（gripper/manipulator）”，在一定程度上限制了它们的能力。近日，由哈佛大学，洛桑联邦理工学院以及科羅拉多大學波德分校联合在国际机器人通讯期刊《IEEE机器人与自动化通讯》（IEEE Robotics and Automation Letter）发表了一篇文章中提出了一种“压电材料驱动的微型夹爪”，这款夹爪本身张开的尺寸大约为0.2mm，自身重量0.1g, 但确可以抓取重达3g（30倍）的物体。该“微型夹爪”被安装到了一款4.5cm见方的微型四足机器人上，并且展示了一些移动机器人的“微操作”，例如搬运一些微小的芯片等，展示了颇佳的实用效果。
小蚂蚁可以搬运比自己重的食物
0.1g重量的超微型夹爪抓取3g的重物
微型机器人与仅有2毫米的微型夹爪
“千里之堤，溃于蚁穴”，常常用来比喻不注意小事则会酿成大祸。但从另一方面看的话，即便是小小的蚂蚁也不可小觑。说起机器人，除了高大威猛的工业机器人和灵巧的四足机械狗。有一类特别的机器人也在机器人大舞台中占据了一席之地，并且也有着很大的应用前景，那就是微型机器人。
微型机器人概念图
自然界已经给了科学家一些参考的案例，例如毫米级的各种昆虫，或者是纳米级的鼎鼎大名的病毒噬菌体（长相规整，简直是一个微型机器人）。研究微型机器人可以帮助人类去处理一些特殊的场景和任务，例如类似昆虫的微型机器人可以进入狭小的空间，完成检测的任务，或者是在自然灾害中寻找幸存者，类似病毒的纳米机器人可以用于生物医疗机器人，投入人体去针对性的杀灭病灶。
哈佛大学微型机器人实验室明星产品
哈佛大学的微型机器人实验室（Microrobotics Lab）致力于微型机器人（毫米/微米级别）。该实验室推出了不少明星产品，例如HAMR，ROBOBEE，发表于国际顶级期刊上。感兴趣的同学可以参照文末的论文信息。
上面这些机器人虽然有着相当不错的能动性（mobility），它们却缺少一项很关键的零部件，那就是夹爪（末端执行器），就好比一直没有“颚”的小蚂蚁。过往的研究主题都集中在如何提高微型机器人的可控性和移动性。如果能够为微型移动机器人配置一只“夹爪”，就可以为它们开拓更多的应用场景，例如在狭窄的空间投放和收集材料和零部件，好像蚂蚁收集食物一般。
超微型夹爪放大图
近日，由哈佛大学，洛桑联邦理工学院以及科羅拉多大學波德分校联合在国际机器人期刊《IEEE机器人与自动化通讯》（IEEE Robotics and Automation Letter）发表了一篇文章中提出了一种“具有压电效应的材料驱动的微型夹爪”，为大家呈现了一个两指之间宽度不到1mm的超微型夹爪（大家可以自行用手比划一下1mm大概多大），它本身由具有压电效应（piezoelectric）的材料进行驱动，自身重量为0.1g，可以提起重达3g重量的物体（约为30倍），在这里小编拿它类比于蚂蚁强有力的大颚。
微型机器人夹爪
小科普：压电效应（英语：Piezoelectricity），是电介质材料中一种机械能与电能互换的现象。压电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。逆压电效应指的是，通过电场作用而产生机械形变的过程，即当在压电材料表面施加电场（电压），因电场作用时电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长，是一种从电能到机械能的转化。显然，在这项研究中，采取的是逆压电效应。
微型夹爪的抓取运动
我们先来欣赏一下这款超微型夹爪以及安装有它的机器人的一些展示。注意：文末附有完整版视频以及论文信息和网址。
微型夹爪的抓取展示
安装有微型夹爪的机器人抓取展示
大负载行走
搬运放置小型物体
设计，制造以及测试
为了设计一款简单体积小，又能提供很大夹持力的夹爪，研究者们采用具有压电效应的材料进行致动器的设计。考虑到微型机器人ROBOBEE和HAMR采用的都是类似的驱动方式，压电材料致动器也比较容易集成到这些机器人上。研究者设计了一个预先弯曲的悬臂梁结构。悬臂梁有主动层材料（PZT，PiezoelectricTransducer，即压电材料：锆钛酸铅）和被动层材料（碳纤维复合材料）制成。关于夹爪更详细的建模和讨论可以请读者参照文末的论文信息。
微型夹爪的机械设计
微型夹爪的另一个设计要点是考虑了微型机器人的能量效率问题。研究者们设计的微型夹爪在未通电时就呈现闭合状态。通电时，夹爪上下打开，接近要抓取的物体，然后再断电闭合抓取物体。对于微型机器人来说由于可以携带的电源非常有限，因此这种“常闭合”状态的设计是非常重要的。
微型夹爪的结构设计
研究者们选取的材料总结如下，锆钛酸铅（Lead zirconate titanate）作为压电材料，即作为主动层驱动，这是一种很常用的压电材料，广泛应用于工业设备，汽车，医疗以及消费品行业。碳纤维复合材料被用作和PZT相互结合，同时也作为结构件起到支撑作用。
微型夹爪的制造过程
微型夹爪手的制作过程分为几步：用激光切割切出适合形状的PZT和铝片，并且把它们放置到一个凝胶底座上。接下来两层的碳纤维复合材料（CF）和一层的铜被固定到PZT和铝上。第三步，移除了凝胶底座，用两层的CF碳纤维复合材料去替代，同时让它完全融合。第四步，两层上一步得到的薄片用一层额外的碳纤维复合材料结合并且热压缩。最终用激光切割机切除多余部分，得到夹爪。
研究者们对微型夹爪做了一些测试，得到了电压和输出夹持力（用阻塞里表示，即blocking force）的关系。可以看到，在电压升高到200V的时候，输出的夹持力可达到近乎0.6N左右。
微型夹爪的阻塞力测试
在制做好微型夹爪后，研究者将其安装到微型四足机器人HAMR底部。并且用它来实现微观抓取操作的测试。安装好的微型夹爪距离地面的距离仅有1.5mm，因此，在该样机测试的初步阶段，仅仅抓取了很薄的物体。
微型机器人和微型夹爪的尺寸比例
基本的抓取策略是，让HAMR机器人运动到被抓取的物体上方，然后打开微型夹爪，机器人向下靠近物体，接着闭合夹爪，机器人抬起身体，进行对物体的搬运。
微型夹爪的抓取分解图，请注意图中的1mm的参考长度
这款装有微型夹爪的HAMR机器人重量为1.41g。从实验测试得知，HAMR可以抓取0.1g重量的物体并且进行移动。如果是单纯的拖拽的话，可以拖动重达2.8g的物体，大约为夹爪重量的28倍，身体重量的两倍，如果是静态抓取（请参照本文最一开始的动态图）的话，则可抓取重量达到3g左右，为夹爪重量的30倍，身体重量的2.12倍。
HAMR搬运重量为0.5g的物体并放置
HAMR拖拽重量为2.8的物体并放置
总结于展望未来
研究者指出目前夹爪被安放在了底部，因此只能搬运位于机器人下方的物体。在未来的研究中，或许会加入视觉传感器和闭环的运动控制来提升机器人对于物体操作的性能。另外研究者目前的展示的HAMR都是有接到一个固定电源的，受限于电源线，在未来的研究中，想把微型夹爪集成到一个不受限制（untethered）的HAMR上，因此在所携带的能源（电池）上可能要进行一些优化设计。最后一点是在将来，这个微型夹爪可能会被进一步优化，做的更小，从而扩展它的抓取尺度。
哈佛大学的微型机器人实验室一直以来推出了一系列的仿生的，用压电材料驱动的微型机器人。最近又推出的这篇微型夹爪再次完善了它的功能。小编查证发现它们实验室很多产品都申请了专利，将来打算产业化或者向工业界推广。希望我们国家的研究者们也能领军，做出其他的领先世界的微型机器人技术，为我们的祖国增添一份知识自信！
文末视频
论文题目和链接：
T. Abondance, K. Jayaram, N. T. Jafferis, J.Shum and R. Wood, "Piezoelectric grippers for mobile micromanipulation,"in IEEE Robotics andAutomation Letters, 2020(accepted).
https://ieeexplore.ieee.org/document/9099627/
哈佛大学微型机器人实验室相关研究：
Goldberg, B., Zufferey, R.,Doshi, N., Helbling, E. F., Whittredge, G., Kovac, M., & Wood, R. J.(2018). Power and control autonomy for high-speed locomotion with aninsect-scale legged robot. IEEE Robotics and Automation Letters, 3(2),987-993.
N. T. Jafferis, E. F. Helbling,M. Karpelson, and R. J. Wood, “Untethered flight of an insect-sizedflapping-wing microscale aeria lvehicle,” Nature, vol. 570, no. 7762, p. 491,2019.
Graule, M. A.,Chirarattananon, P., Fuller, S. B., Jafferis, N. T., Ma, K. Y., Spenko, M., ...& Wood, R. J. (2016). Perching and takeoff of a robotic insect on overhangsusing switchable electrostatic adhesion. Science, 352(6288),978-982.
实验室网页：
https://www.micro.seas.harvard.edu/research
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