软体机器人内秉的柔顺性使其天然具备适应、安全的环境交互特性，在柔顺抓取、非结构化场景作业等方面具有应用优势。然而，当前软体机械手设计通常聚焦于追求大变形行程，往往以破坏软材料结构的刚度为代价，导致机械手本体“变形有余、承力不足”。因此在设计阶段有必要兼顾软材料结构的变形能力和刚度特性要求，才能适应实际应用场景中复杂的交互任务。由于大变形软材料结构的力学行为具有复杂、非线性的特点，目前常用的经验设计难以提供理想的结果，如何基于物理模型对机械手本体进行设计优化，实现运动灵巧性和刚度特性的同时调控，是亟需解决的技术难题。

陈飞飞副教授提出了基于外骨骼拓扑优化的设计范式，旨在提升软体机械手在抓握、捏取时的变形和交互综合性能。基本设计思想是将一种模量较高的材料(称之为外骨骼)贴附在模量较低的软体气动驱动器上，构成软体手指模块，通过优化外骨骼的形状拓扑实现对手指变形特性与刚度特性的调控。外骨骼设计采用了水平集拓扑优化方法，将大变形软材料结构几何、材料非线性特性融入经典拓扑优化技术，为软体机械手自动化设计提供了数学工具，克服了经验设计的局限。相关工作发表在IEEE T-MECH和Science China Technological Sciences上。

内部软体气动驱动器采用了上下非对称的多腔体结构以利用其对弯曲变形的几何优势，具有复杂表面形貌。附着在驱动器复杂曲面上的外骨骼通过非线性空间映射展开到平面设计域，利用动态水平集函数描述和追踪其形状拓扑的变化。基于这一几何描述模型，以软体手指在给定内部驱动和外部交互力作用下的弯曲抓握变形为目标，导出了预期运动响应与外骨骼的一阶形状导数，发展了严格考虑非线性的拓扑优化方法，基于梯度解析表达的灵敏度分析确保了快速收敛性。研究发现，最优化的外骨骼结构在受拉侧与受压侧表现出特定的结构特征，有利于软体手指发生弯曲抓握变形，具有很好的物理可解释性，且最优构型随握取、捏取等不同交互作用的变化而变化，体现了设计方法适应不同交互场景的通用性。

由于设计结果具有复杂的几何形貌特征，本工作开发了相应的后处理器，结合当前3D打印-复模工艺，制作了外骨骼-软体气腔一体的抓手样机。实验结果表明，软体手指具有优异的弯曲变形和力输出能力，弯曲角度90°以上，单指指尖力达3.5N，多指软体手可抓取多种不同尺寸、形状、重量的常见物体。

本工作提出的拓扑优化设计方法有效提升了软体机械手运动和交互综合性能，并可望拓展到其他驱动形式和应用场景，为软体机器人泛在的设计问题提供方法指导。博士研究生陈世通是论文的第一作者，陈飞飞副教授是论文的通讯作者，朱向阳和谷国迎教授是论文共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和上海市科委扬帆计划项目资助。

论文信息：

Chen, S., Chen, F.*, Cao, Z., Wang, Y., Miao, Y., Gu, G., & Zhu, X. (2021). Topology optimization of skeleton-reinforced soft pneumatic actuators for desired motions. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 26(4), 1745-1753.

Chen, S., Wang, Y., Li, D., Chen, F.*, & Zhu, X. (2021). Enhancing interaction performance of soft pneumatic-networks grippers by skeleton topology optimization. Science China Technological Sciences, 64(12), 2709-2717.

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9397352 

https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-021-1920-y