水下固体污染物的清理、生物资源的捕捞以及水下考古等作业，作为劳动密集型活动，一直是海洋开发与利用领域的重要组成部分。然而，面对水下环境的复杂多变，这些作业不仅难度极大，更对技术和设备提出了严峻考验。

水下环境的光线微弱、压力巨大、温度变化无常，这些因素严重限制了人类在水下的直接作业能力。潜水员在执行任务时，不仅要面对极端的自然环境，还要承受由此带来的身体和心理压力，潜在的伤害风险不容忽视。因此，水下机器人的出现，为替代人类执行水下任务提供了新的可能。

水下机器人能够长时间在水下环境中工作，广泛应用于水底勘探、水下生物研究、环境监测与保护以及资源开发等多个领域。然而，在执行特定任务，如抓取水下不规则垃圾、进行易碎瓷器的水下考古作业或捕捞水下生物资源时，现有机器人抓取手的局限性便显露无遗。

尽管已有一些针对水下环境设计的机器抓取手，但它们大多只能固定在机械臂上，使用范围受到机械臂活动范围的严格限制。这意味着，在面对狭窄水下空间中的物体，如珊瑚礁地层、岩石裂缝或沉船内部时，这些抓取手往往无能为力。此外，在非结构化水下环境中进行多类型物体抓取时，现有抓取手的多模态自适应抓取能力明显不足，难以满足实际作业需求。

▍受章鱼启发，提出可以执行多模态抓取的软体抓取手

章鱼以其卓越的自适应抓取与水下机动性而闻名。前不久，来自北京大学工学院谢广明教授团队的研究人员，受章鱼丰富的行为库启发，开发了一种可以执行多模态抓取的软体抓取手。

该软体抓取手拥有六条独立控制的手臂，能协同作业，实现抓取与运动双模式。当连接到机械臂时，抓取手以多模态抓取模式运作；当与机械臂断开连接时，抓取手则可以自主进行水下运动和抓取。此外，多个手臂的协同作用还实现了三个关键功能的整合：自适应抓取、全向爬行以及三维游泳能力。

图2.受章鱼启发的水下软体抓取手系统的设计和任务概况

在结构构成上，如图3所示，除了六个手臂外，该软体抓取手还配备有一个腹膜和三十个吸盘（分布在手臂上）。夹具拥有六个独立的手臂控制通道，用于精确控制手臂的动作。同时，设有六个串联的吸盘控制通道，用以统一管理吸盘的正负压切换。在常压状态下，吸盘能够产生预吸附力。通过对吸盘施加负压，可以增大吸盘的内凹弧度，从而增强吸力实现抓取；相反，对吸盘施加正压，则使吸盘呈现凸出形态，实现吸盘与物体的主动分离。

图3.软体抓取手的设计示意图

该软体抓取手集成了多种功能，并具备出色多模态抓取与运动能力。当与机械臂联合使用时，它可为密闭空间内的自适应抓取和探索提供可靠解决方案。与现有的抓取手相比，其集成的抓取与运动能力突破了传统机械臂的限制，能够执行传统设备难以完成的机动操作。这种整合显著扩展了水下夹爪的操作范围和应用场景，尤其适合于非结构化水下环境中的复杂和劳动密集型任务，如海洋垃圾收集、渔业捕捞和考古勘探等。

该研究成果的相关论文已以" Octopus-Inspired Underwater Soft Robotic Gripper with Crawling and Swimming Capabilities "为题，发表在Research上。武明信博士为第一作者，Rahdar Hussain Afridi、吴家汐、Waqar Hussain Afridi、王凯威、郑兴文、王晨为共同作者，谢广明教授为通讯作者，北京大学为唯一通讯单位。

接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！

▍驱动原理

该软体抓取手具备四种驱动原理，详见表1：驱动任意对称的两个手臂（II）、驱动任意对称的四个手臂（IV）、同时驱动六个手臂（VI）和吸力驱动。

表 1 不同驱动原理下软体抓取手的的抓取模式和应用场景

第一种驱动原理，即驱动任意对称的两个手臂，适用于抓取带有手柄的物体，通过利用对称的手臂穿过的被抓取物体的手柄，即可实现对物体的抓取。第二种驱动原理，即驱动任意对称的四个手臂，可以输出较大的抓取力，实现对各种细长物体的抓取。而第三种驱动原理，也就是全部六个手臂的同时驱动，能够自适应地抓取直径小于抓取手的物体，并能以包裹的方式同时抓取多个物体。此外，软体抓取手的吸力驱动模式能够独立完成平面或弧面物体的抓取任务，同时也为其他三种驱动原理提供额外的吸力支持。吸盘的吸附和释放功能使得软体抓取手能够轻松从抓取状态切换至释放状态。通过多种驱动原理的组合，衍生出8种不同的抓取模式，以实现对各种不规则物体的自适应抓取。

▍运动性能展示

为了深入探究软体抓取手的爬行能力，研究人员测试了从单臂到六臂所有可能的步态组合，详见图3A。驱动一只手臂能够产生一种步态；驱动两只手臂则能衍生出三种不同的步态；同理，三臂、四臂的驱动也分别能产生三种步态；而五臂驱动则生成一种步态。

图5 抓取手的运动性能

研究显示，该软体抓取手爬行速度最快的步态是由两个相邻的手臂驱动，且之间有一个未被驱动的手臂相隔（见图5B）。通过向手臂施加正压使其达到最大弯曲状态，然后关闭泵，利用手臂自身的恢复力实现水下爬行（图5C）。

得益于设计的对称性，该软体抓取手能够实现全向运动。图5D-F展示了软体抓取手在全向运动中的表现，显示出卓越的机动性（能够在水下爬行的同时拖动管道），并且能够按照“□”、“△”、“8”等不同路径爬行。

除了水下爬行能力，该软体抓取手还能进行垂直和三维游泳。通过同时弯曲所有手臂，软体抓取手能够实现垂直游动，并对下降方向进行精确控制，从而实现三维游动。此外，该软体抓取手具备在水下密闭空间内执行一系列高级操作的能力，包括有线释放、爬行、游动、抓取以及回收物体等。

▍在水下受限空间应用的可行性测试

为了验证软体抓取手的多样化抓取方式和卓越的运动性能，研究人员对其在水下受限空间中的应用进行了可行性测试。如图6A-B所示，该研究团队为此设计了一系列挑战性实验，以评估抓取手在复杂环境下的性能表现。

图6. 抓取手在受限空间中的运动及抓取

研究人员首先在1.5米深的水池中构建了一个充满挑战的水下密闭空间。由于空间限制，机械臂无法直接进入水箱进行操作，只能通过一个带有手柄的入口进行间接操作。水箱壁被设定为固定障碍物，内部还布置了可移动障碍物，以增加环境的复杂性。软体抓取手需要穿过一个小洞，越过内部的障碍物，才能到达水箱内的目标物体。

通过精确控制软体抓取手的运动，研究人员成功实现了对物体的接近和抓取。这一系列复杂的操作步骤包括：软体抓取手首先与机械臂脱离，利用其夹持能力拉动手柄开启入口。随后，激活垂直游动模式调整至适当高度，并启动三维游动模式通过狭窄的孔洞。在水箱内，软体抓取手切换至三维游泳模式，巧妙避开障碍物。接近目标物体后，软体抓取手转换为爬行模式并在物体上方游动。最后，精确调整位置后执行抓取动作，并通过管道回收，完成抓取任务。