Source-Free Bistable Fluidic Gripper for Size-Selective and Stiffness-Adaptive Grasping

📄 arXiv: 2511.03691v1 📥 PDF

作者: Zhihang Qin, Yueheng Zhang, Wan Su, Linxin Hou, Shenghao Zhou, Zhijun Chen, Yu Jun Tan, Cecilia Laschi

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-05

💡 一句话要点

提出一种无源双稳态流体夹爪，实现尺寸选择性和刚度自适应抓取

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 流体驱动 双稳态机构 无源抓取 尺寸选择性 刚度自适应 液压反馈

📋 核心要点

  1. 传统流体驱动软体夹爪依赖外部能源，限制了便携性和长期自主性。
  2. 该研究提出一种自包含软体夹爪，通过内部液体重新分配实现无源抓取，无需持续能量输入。
  3. 该夹爪具有尺寸选择性和刚度自适应性，适用于水下和野外环境的特定采样和操作。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种自包含的软体夹爪，其尺寸固定，仅通过三个相互连接的双稳态速动腔室之间的内部液体重新分配来运行。当顶部的传感腔室在接触时变形时，排出的液体会触发抓取腔室的速动膨胀，从而在无需持续能量输入的情况下实现稳定且尺寸选择性的抓取。内部液压反馈进一步允许夹持压力被动地适应物体刚度。这种无源且紧凑的设计为软体机器人中轻量级、刚度自适应的流体驱动操作开辟了新的可能性，为水下和野外环境中目标尺寸的特定采样和操作提供了一种可行的方法。

🔬 方法详解

问题定义：传统软体夹爪依赖外部能源，导致体积大、重量重，限制了其在便携式和自主应用中的使用。尤其是在水下或野外等资源受限的环境中，持续的能源供应是一个挑战。因此，需要一种无需外部能源即可实现抓取的软体夹爪。

核心思路：该论文的核心思路是利用双稳态机构和内部液体重新分配来实现无源抓取。通过巧妙地设计三个相互连接的双稳态腔室，利用接触产生的形变驱动液体在腔室之间流动，从而触发抓取动作。这种设计避免了外部能源的依赖，实现了自包含和自主抓取。

技术框架：该软体夹爪包含三个主要部分：顶部的传感腔室，以及两个抓取腔室。当传感腔室接触物体时，其形变会挤压内部液体，使液体流入抓取腔室。抓取腔室是双稳态的，当液体流入达到一定阈值时，会发生速动膨胀，从而实现抓取。内部液压系统提供反馈，使夹爪能够根据物体的刚度调整抓取压力。

关键创新：该论文的关键创新在于将双稳态机构与内部液体重新分配相结合，实现了完全无源的软体夹爪。这种设计不仅避免了外部能源的依赖，还实现了尺寸选择性和刚度自适应性。此外，紧凑的设计使得该夹爪更易于集成到各种机器人系统中。

关键设计：双稳态腔室的设计是关键。腔室的几何形状和材料属性决定了其速动膨胀的阈值和力学性能。内部液体的选择也很重要，需要考虑其粘度、密度和兼容性。传感腔室的灵敏度直接影响抓取的触发，需要根据应用场景进行优化。此外，腔室之间的连接管道的尺寸和位置也影响液体的流动速度和压力。

📊 实验亮点

该研究成功设计并验证了一种无源双稳态流体夹爪。实验结果表明，该夹爪能够实现尺寸选择性的抓取，并能够根据物体的刚度自适应地调整抓取压力。与传统的需要外部能源的软体夹爪相比，该夹爪具有更高的便携性和自主性，为软体机器人的发展提供了一种新的思路。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于水下机器人、野外勘探机器人、医疗机器人等领域。例如，在水下环境中，该夹爪可用于采集特定尺寸的海洋生物样本；在医疗领域，可用于微创手术中对脆弱组织的抓取和操作。无源设计使其在资源受限的环境中具有独特的优势，有望推动软体机器人在更多领域的应用。

📄 摘要（原文）

Conventional fluid-driven soft grippers typically depend on external sources, which limit portability and long-term autonomy. This work introduces a self-contained soft gripper with fixed size that operates solely through internal liquid redistribution among three interconnected bistable snap-through chambers. When the top sensing chamber deforms upon contact, the displaced liquid triggers snap-through expansion of the grasping chambers, enabling stable and size-selective grasping without continuous energy input. The internal hydraulic feedback further allows passive adaptation of gripping pressure to object stiffness. This source-free and compact design opens new possibilities for lightweight, stiffness-adaptive fluid-driven manipulation in soft robotics, providing a feasible approach for targeted size-specific sampling and operation in underwater and field environments.