「火中取栗」，莫非說的就是它？！

日本東北大學的研發小組新開發了一種機械手，能從高溫火焰中取出鋒利的、形狀複雜的或者易碎的多種物體（圖1）。

圖1：耐火性和耐劃傷性優異的串珠狀機械手的基本概念

這款機械手以放射狀配置像串珠一樣的手指，實現了不會像袋式抓手那樣發生袋子破裂等情況的結構。由此提高了耐劃傷性，另外，串珠的珠體採用金屬材料製造，實現非常高的耐火性的同時還具有很強的靈活性，作業時，抓取的對象自不必說，機械手本身也不會受到損傷。

以前開發的袋式機械手雖然能抓取各種不同形狀的物體，但袋子的材料是橡膠和布，耐熱性較差，難以在高溫環境下工作。利用此次的開發成果，能抓取的物體範圍大幅擴大，不但可以在火災等高溫災害現場使用該機械手去除妨礙接近熱源的瓦礫，還有望為工廠的高溫作業和生產效率的提高做出巨大貢獻。

＜研究成果概要＞

新開發的機械手的結構如圖2所示，抓手採用以放射狀配置串珠狀手指的對稱結構。採用這種結構能包裹住物體進行抓取。

圖2：新開發的串珠狀機械手機構的外觀

以前那種利用顆粒物質阻塞相變（Jamming Transition）現象的柔剛轉換功能採用袋式結構，袋子破裂的話便無法再正常工作，因此以前的機械手無法抓取鋒利的物體。此次，研發小組為解決這個問題，決定設計並製造一款結構與原來完全不同的機械手，具體如下。

1．機械手的整體構成：以放射狀配置串珠狀手指結構

為最大限度提高耐劃傷性，研發小組花大量時間通過實機實驗對各種材料和結構進行了研究，最終決定採用以放射狀配置「不可能發生『破裂』現象」的串珠狀手指的整體結構。串珠狀手指通過收緊內部的線使各個珠子緊靠在一起，由此來提高硬度。

以前那種利用阻塞相變現象的袋式結構內部含有空氣，因此存在一系列的問題，比如接觸到鋒利物體的話袋子會破裂、在高溫環境下內部空氣會膨脹、袋子的材料橡膠和布本身就無法置於高溫下。具備串珠狀手指的機械手，珠子採用耐火性比較高的金屬材料製造，不但耐久性高，還能實現非常高的耐火性。

圖3：實現高耐火性的串珠狀機械手機構的外觀

圖4：配備在平板車上的機械臂

2．技術要點：優化線狀柔剛轉換機構的單元形狀

串珠狀一維阻塞機構每個單元的弧形部分和表面摩擦情況也是此次的技術難點。圖6（a）所示的球狀珠子很難維持路徑形狀，但通過將單個珠子的結構製成（b）所示的碗狀，就能在維持路徑形狀的狀態下提高剛性，實現硬化。在一維阻塞機構上使串珠結構向一個方向彎曲，然後安裝到機械手上就形成了圖7中的機體。

這樣，無需在機械手內部配備感測器和致動器，就能擁有根據物體形狀進行抓取的功能，實現了具備前所未有的超高耐火性和耐劃傷性的機械手，即使接觸鋒利的物體或者用刀切割也不會出現袋子破裂的情況。

圖5：可進行剛柔轉換的線狀機構（一維阻塞機構）的外觀

（a）單一單元對稱形狀

（b）單一單元碗狀形狀

圖6：一維阻塞機構的基本原理

圖7：採用一維阻塞機構作為手指的機械手的外觀（簡易型通用版）

3．各種抓取實驗

研發小組利用上述擁有串珠狀手指的機械手進行實驗，抓取了圖8中的鋒利物體。以前，柔軟的橡膠膜接觸到閥門的鋒利部分就會破損，而此次開發的採用串珠狀一維阻塞機構手指的機械手，經確認可以在不受任何損傷的情況進行閥門開關作業。

圖8：能用機械手抓取的日常用品（還能抓取刀具的刀刃部分）

另外，如圖9所示，將機械手插入火焰中抓取纏繞著刺繩的約2kg重變形鐵棒的實驗也取得了成功。圖10和11分別是在高溫環境下作業的整體圖像和機械手部分工作時的放大圖。

圖9：在高溫環境下抓取纏繞著刺繩的瓦礫

圖10：耐火性抓取實驗的整體圖像

圖11：耐火性抓取實驗中機械手部分的放大圖

如上所述，利用新開發的機械手能抓取以前無法抓取的高溫物體、鋒利物體、形狀不規則物體及脆弱鬆軟的物體，比如破損的閥門、形狀不規則的碎玻璃、建築上外露的釘子和鐵絲網等。

此外還打算用於滅火設備，通過將水槍設置在機械手的中央，在撬開瓦礫以及門和蓋子後，能直接向火源噴射滅火劑，以迅速進行滅火。

另外，這款機械手重量非常輕，可配備於以蛇形救災機器人和腿型救災機器人為首的各種平台。

除了耐劃傷性優異外，新款機械手的耐火性也得到提高，火災等災害現場自不必說，在工廠的生產現場，這款靈活的機械手的實用性也大幅提高，預計今後將得到廣泛應用。

文 JST客觀日本編輯部

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！