水下固體污染物的清理、生物資源的捕撈以及水下考古等作業，作為勞動密集型活動，一直是海洋開發與利用領域的重要組成部分。然而，面對水下環境的複雜多變，這些作業不僅難度極大，更對技術和裝置提出了嚴峻考驗。
水下環境的光線微弱、壓力巨大、溫度變化無常，這些因素嚴重限制了人類在水下的直接作業能力。潛水員在執行任務時，不僅要面對極端的自然環境，還要承受由此帶來的身體和心理壓力，潛在的傷害風險不容忽視。是以，水下機器人的出現，為替代人類執行水下任務提供了新的可能。
水下機器人能夠長時間在水下環境中工作，廣泛應用于水底勘探、水下生物研究、環境監測與保護以及資源開發等多個領域。然而，在執行特定任務，如抓取水下不規則垃圾、進行易碎瓷器的水下考古作業或捕撈水下生物資源時，現有機器人抓取手的局限性便顯露無遺。
盡管已有一些針對水下環境設計的機器抓取手，但它們大多隻能固定在機械臂上，使用範圍受到機械臂活動範圍的嚴格限制。這意味着，在面對狹窄水下空間中的物體，如珊瑚礁地層、岩石裂縫或沉船内部時，這些抓取手往往無能為力。此外，在非結構化水下環境中進行多類型物體抓取時，現有抓取手的多模态自适應抓取能力明顯不足，難以滿足實際作業需求。
▍受章魚啟發，提出可以執行多模态抓取的軟體抓取手
章魚以其卓越的自适應抓取與水下機動性而聞名。前不久，來自北京大學工學院謝廣明教授團隊的研究人員，受章魚豐富的行為庫啟發，開發了一種可以執行多模态抓取的軟體抓取手。
該軟體抓取手擁有六條獨立控制的手臂，能協同作業，實作抓取與運動雙模式。當連接配接到機械臂時，抓取手以多模态抓取模式運作；當與機械臂斷開連接配接時，抓取手則可以自主進行水下運動和抓取。此外，多個手臂的協同作用還實作了三個關鍵功能的整合：自适應抓取、全向爬行以及三維遊泳能力。
圖2.受章魚啟發的水下軟體抓取手系統的設計和任務概況
在結構構成上，如圖3所示，除了六個手臂外，該軟體抓取手還配備有一個腹膜和三十個吸盤（分布在手臂上）。夾具擁有六個獨立的手臂控制通道，用于精确控制手臂的動作。同時，設有六個串聯的吸盤控制通道，用以統一管理吸盤的正負壓切換。在常壓狀态下，吸盤能夠産生預吸附力。通過對吸盤施加負壓，可以增大吸盤的内凹弧度，進而增強吸力實作抓取；相反，對吸盤施加正壓，則使吸盤呈現凸出形态，實作吸盤與物體的主動分離。
圖3.軟體抓取手的設計示意圖
該軟體抓取手內建了多種功能，并具備出色多模态抓取與運動能力。當與機械臂聯合使用時，它可為密閉空間内的自适應抓取和探索提供可靠解決方案。與現有的抓取手相比，其內建的抓取與運動能力突破了傳統機械臂的限制，能夠執行傳統裝置難以完成的機動操作。這種整合顯著擴充了水下夾爪的操作範圍和應用場景，尤其适合于非結構化水下環境中的複雜和勞動密集型任務，如海洋垃圾收集、漁業捕撈和考古勘探等。
該研究成果的相關論文已以" Octopus-Inspired Underwater Soft Robotic Gripper with Crawling and Swimming Capabilities "為題，發表在Research上。武明信博士為第一作者，Rahdar Hussain Afridi、吳家汐、Waqar Hussain Afridi、王凱威、鄭興文、王晨為共同作者，謝廣明教授為通訊作者，北京大學為唯一通訊機關。
接下來，一起來和機器人大講堂深入探索這一研究成果！
▍驅動原理
該軟體抓取手具備四種驅動原理，詳見表1：驅動任意對稱的兩個手臂（II）、驅動任意對稱的四個手臂（IV）、同時驅動六個手臂（VI）和吸力驅動。
表 1 不同驅動原理下軟體抓取手的的抓取模式和應用場景
第一種驅動原理，即驅動任意對稱的兩個手臂，适用于抓取帶有搖桿的物體，通過利用對稱的手臂穿過的被抓取物體的搖桿，即可實作對物體的抓取。第二種驅動原理，即驅動任意對稱的四個手臂，可以輸出較大的抓取力，實作對各種細長物體的抓取。而第三種驅動原理，也就是全部六個手臂的同時驅動，能夠自适應地抓取直徑小于抓取手的物體，并能以包裹的方式同時抓取多個物體。此外，軟體抓取手的吸力驅動模式能夠獨立完成平面或弧面物體的抓取任務，同時也為其他三種驅動原理提供額外的吸力支援。吸盤的吸附和釋放功能使得軟體抓取手能夠輕松從抓取狀态切換至釋放狀态。通過多種驅動原理的組合，衍生出8種不同的抓取模式，以實作對各種不規則物體的自适應抓取。
▍運動性能展示
為了深入探究軟體抓取手的爬行能力，研究人員測試了從單臂到六臂所有可能的步态組合，詳見圖3A。驅動一隻手臂能夠産生一種步态；驅動兩隻手臂則能衍生出三種不同的步态；同理，三臂、四臂的驅動也分别能産生三種步态；而五臂驅動則生成一種步态。
圖5 抓取手的運動性能
研究顯示，該軟體抓取手爬行速度最快的步态是由兩個相鄰的手臂驅動，且之間有一個未被驅動的手臂相隔（見圖5B）。通過向手臂施加正壓使其達到最大彎曲狀态，然後關閉泵，利用手臂自身的恢複力實作水下爬行（圖5C）。
得益于設計的對稱性，該軟體抓取手能夠實作全向運動。圖5D-F展示了軟體抓取手在全向運動中的表現，顯示出卓越的機動性（能夠在水下爬行的同時拖動管道），并且能夠按照“□”、“△”、“8”等不同路徑爬行。
除了水下爬行能力，該軟體抓取手還能進行垂直和三維遊泳。通過同時彎曲所有手臂，軟體抓取手能夠實作垂直遊動，并對下降方向進行精确控制，進而實作三維遊動。此外，該軟體抓取手具備在水下密閉空間内執行一系列進階操作的能力，包括有線釋放、爬行、遊動、抓取以及回收物體等。
▍在水下受限空間應用的可行性測試
為了驗證軟體抓取手的多樣化抓取方式和卓越的運動性能，研究人員對其在水下受限空間中的應用進行了可行性測試。如圖6A-B所示，該研究團隊為此設計了一系列挑戰性實驗，以評估抓取手在複雜環境下的性能表現。
圖6. 抓取手在受限空間中的運動及抓取
研究人員首先在1.5米深的水池中建構了一個充滿挑戰的水下密閉空間。由于空間限制，機械臂無法直接進入水箱進行操作，隻能通過一個帶有搖桿的入口進行間接操作。水箱壁被設定為固定障礙物，内部還布置了可移動障礙物，以增加環境的複雜性。軟體抓取手需要穿過一個小洞，越過内部的障礙物，才能到達水箱内的目标物體。
通過精确控制軟體抓取手的運動，研究人員成功實作了對物體的接近和抓取。這一系列複雜的操作步驟包括：軟體抓取手首先與機械臂脫離，利用其夾持能力拉動搖桿開啟入口。随後，激活垂直遊動模式調整至适當高度，并啟動三維遊動模式通過狹窄的孔洞。在水箱内，軟體抓取手切換至三維遊泳模式，巧妙避開障礙物。接近目标物體後，軟體抓取手轉換為爬行模式并在物體上方遊動。最後，精确調整位置後執行抓取動作，并通過管道回收，完成抓取任務。