在最近舉辦的機器人和環境智能國際會議（URAI）上，加利福尼亞大學圣克魯 斯分校和日本立命館大學的研究人員展示了一種受人體骨骼結構啟發的仿生機器人手指，包括韌帶結構、人造肌肉、粘彈性腱和剛性骨骼，完美的復制了人手的關節骨骼結構，‘軟’‘硬’齊全。還利用了最先進的多材料3D打印技術，可一次性將仿生機器人手指打印出來。

圖1. 受人體骨骼結構啟發的仿生機器人手指

多材料3D打印

圖中的驅動方式是不是看著很熟悉，其實所謂的粘彈性腱就是機器人設計中常用的肌腱驅動。但常規的肌腱驅動少不了復雜的制造和組裝。

圖2. 復雜的機器人肌腱驅動方式

如何避免這種復雜的制造和組裝過程呢？研究人員想到了先進的多材料3D打印方法。我們平時常見的擠出式3D打印機都是只有一個噴頭，只能同時打印一種材料。而多材polyjet 3D打印機可以創建具有不同剛度的材料的混合結構。利用這種方法可以將仿生機器人手指的肌腱，骨骼和關節等一次性打印出來，簡化并加速整個原型生產過程。

圖3. 多材料3D打印方法

具體來說，研究人員使用了兩種肖氏硬度不同的3D打印材料：Vero Pure White（VPW）和Tango Black Plus（TBP）。VPW是一種較硬的類似塑料的材料，可用來打印骨骼；TBP是一種柔軟的橡膠狀材料，可用來打印關節軟骨。肌腱，韌帶等組件的打印可以通過組合這兩種材料以獲得不同的肖氏硬度。

 仿生機器人手指的設計

仿生機器人手指的設計具有生物啟發性的解剖特征，包括：近端指骨，中端指骨和遠端指骨，不同大小的環形滑輪A2-A5，掌側板，主韌帶和副韌帶，關節軟骨，指淺屈肌（FDS）肌腱，指趾屈肌足底（FDP）肌腱和普通伸肌（CE）肌腱。

圖4.具有生物啟發性的解剖特征的仿生機器人手指的設計

圖中的每一個組件都對仿生機器人手指起著重要作用。手指的掌側的環形滑輪相當于人手指的肌腱鞘。掌側板連接骨頭的掌側，并防止關節過度伸展。近端和遠端指間關節的每一側都存在主韌帶和副韌帶，它們是關節側向運動最重要的穩定器。關節軟骨可以防止關節處指骨的磨損。

3D打印制造方法需要詳細的CAD模型，仿生特征可以在CAD軟件中復雜地建模為裝配體，分配獨特的材料，并制成單個零件。該CAD模型完全模仿了人手的生物機械結構。

圖5.人體骨骼結構開發的機器人手指CAD模型

仿生機器人手指的靜止狀態略微彎曲，類似于人的手指。

圖6.靜止狀態的仿生機器人手指

肌肉為手指活動提供驅動力，研究人員利用這一特點，將仿生機器人手指的肌肉設計為氣動波紋管，可隨著內部壓力的變化而上下伸縮。氣動波紋管可以直接附著在人造肌腱上進行3D打印，一端連接到它驅動的肌腱上，而另一端則與氣壓系統對接，從而自動化肌腱的拉動和釋放。單個氣動波紋管可用于驅動多條肌腱，這也模仿了人類的手指中共享的指腹肌肉。

圖7.氣動波紋管人造肌肉驅動機器人手指

研究人員還使用了一種稱為MuJoCo的流行物理仿真引擎開發了仿生機器人手指模型，這樣一來，就可以將機器人手指在模擬中所獲得的結果與現實環境中手指的印刷原型所獲得的結果進行比較，從而優化設計并開發控制方案。

圖8.仿生機器人手指的仿真與實驗原型

圖9.MuJoCo模擬（上）和物理原型測試（下）。拉開兩個屈肌腱，同時伸展普通伸肌腱。

總結與展望

這項工作突出了將3D打印和模擬技術相結合，以創建復雜的機器人系統的巨大潛力。研究人員使用的方法能夠將軟機器人技術中普遍使用的粘彈性材料與更傳統的機器人技術相結合，從而使人類骨骼內結構的復制更為緊密。

這項工作的研究人員之一Maryam Tebyani表示“我們目前正在努力將該設計擴展到整個手和手腕，以實現對象操縱。”“我們還計劃開發依賴于所提出的制造方法的變型的設計，以便可以使用其他機器人專家更容易使用的3D打印機實現這些系統。”

將來，這組研究人員使用的設計和制造過程可以應用于創建其他一些受生物啟發的機器人結構，例如其他受人或動物啟發的肢體。此外，他們開發的仿生手指可用于開發機械手，然后將其連接到現有的和新機器人上。