本研究由南京信息工程大学自动化学院的向晟（Sheng Xiang）、牛牧野（Muye Niu）、魏中（Zhong Wei）、刘佳（Jia Liu）、杨扬（Yang Yang）以及哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室的刘振（Zhen Liu）共同完成。论文发表于 Sensors and Actuators: A. Physical 期刊第393卷，于2025年6月13日在线发表，文献编号为116797。该研究得到了国家自然科学基金（批准号52105024）和机器人技术与系统国家重点实验室开放项目（批准号SKLRS-2023-KF-23）的资助。
本研究的学术背景属于软体机器人（soft robotics）领域，具体聚焦于软体夹持器（soft gripper）的设计、建模与实验验证。软体夹持器因其材料的柔顺性，对形状各异的物体具有天然的适应能力，在食品加工、农业自动化及精密抓取等场景中显示出巨大潜力。然而，已有研究存在若干瓶颈：径向抓取模式虽具备高负载与稳定抓取能力，但要求夹持器初始内径大于目标物体尺寸，导致其无法可靠抓取大于未变形状态的物体；吞咽式（swallowing）夹持器虽然能连续吞入物体，但依赖流体驱动时响应范围有限，依赖气压驱动时则需持续供气，能耗与集成性欠佳。为克服上述局限，作者受海葵（sea anemone）吞食猎物的生物机制启发，提出了一种基于可充气环形结构的多模式软体夹持器，旨在通过结构折叠与材料拉伸的协同作用，实现吞咽（swallowing）、包络（enveloping）和扩张（expansion）三种抓取模式的灵活切换，从而显著扩展抓取范围、提高负载能力并增强对位置误差的容忍度。
研究的详细工作流程主要包括结构设计与分析、制造与装配、以及多类实验验证三个环节。在设计阶段，作者设计了带有15个V形褶皱（V-shaped pleats）的软环形主体，褶皱的几何形态源于环形锯齿折纸（zigzag origami）图案。为了定量分析褶皱展开对夹持器外径的影响，研究建立了解析模型：设定内半径 r 为15 mm，褶皱数量 n 为15或10，通过公式计算每段对应的圆心角 α、近似弧长 d、褶皱长度 a 以及初始折叠角 β。模型结果显示，当 n=15 时，随着折叠角 β 的增大，外径 dg 的增幅相较于 n=10 更大，证明褶皱展开可有效增强径向扩张能力。随后，研究通过实验和有限元仿真（finite element simulation）对比了 n=0、n=10 和 n=15 三种软环在0 kPa、6 kPa和12 kPa气压下的外径变化，结果一致表明 n=15 的结构在所有气压条件下均获得最大外径，验证了褶皱设计对双模式变形的贡献。在制造环节，软环形主体采用硅胶弹性体（Shore硬度5 A）浇注而成，模具通过熔融沉积成型（FDM）3D打印制造，材料为聚乳酸（PLA）。固化后，软环的上下两端向内弯曲形成可滚动构型。夹持器通过上下夹板、O形圈密封以及中空螺钉与螺母实现气密连接，气体经中空管、中空螺钉和末端通孔进入软环内部。柔性外壳由聚对苯二甲酸乙二醇酯改性材料（PETG）3D打印而成，设计为六个环形段径向排列，有限元仿真验证其在20 mm径向变形范围内不发生结构失效。整个夹持器安装在由固定框架、电动直线执行器（electric linear actuator）、管夹和直线轴承组成的驱动装置上，可直接安装于机械臂末端或测试平台。
实验部分包含抓取力表征、多模式抓取实验、位置偏差与角度偏差下的鲁棒性实验以及水果拾放应用测试。在抓取力表征中，作者搭建了拉脱力（pull-off force）测试平台，测试对象与安装于底座的力传感器相连，夹持器先通过滑台靠近物体，执行吞咽动作后停止，再以5 mm/s或15 mm/s的速度向上提升直至完全脱离。实验显示，对于外径45 mm、高50 mm的T形物体，在-10 kPa、0 kPa和10 kPa三种气压下，最大拉脱力依次降低，说明包络模式相比于吞咽模式显著提升了抓取力。进一步实验测试了直径30 mm、40 mm和50 mm的圆柱体在12 kPa下的拉脱力，结果表明拉脱力随物体直径增大而增加。针对直径为30 mm、50 mm和70 mm的圆柱体，在不同气压（-15 kPa至15 kPa）下进行测试，结果显示：对于70 mm圆柱体，在-15 kPa包络模式下的峰值拉脱力约为110 N，是+15 kPa吞咽模式下的2.5倍。这归因于当物体直径超过夹持器未加压外径的1.55倍时，包络模式下内外层之间的锁定效应（locking effect）使夹持器紧密贴合物体表面，从而显著提高拉脱力。扩张模式的测试则以60 mm内径的圆柱体为对象，在6、9、12、15 kPa气压下测得的拉脱力随气压升高而增大。此外，径向力对比实验表明，n=15的夹持器在-15 kPa至15 kPa范围内表现出的径向力始终大于n=0和n=10的情况，且更为稳定。多模式抓取实验覆盖了刚性、柔性和易碎物体。吞咽模式成功抓取了钢制砝码（250 g）、钳子（330 g）、三脚架（160 g）、水瓶（330 g）、纸盒一角（25 g）、充电线（30 g）、面巾纸（0.5 g）、薯片（2 g）和果冻（5 g）等；扩张模式成功抓取了内径60 mm和80 mm的圆柱体以及边长70 mm的笔筒；包络模式则通过先吞咽后切换压力的方式，成功抓取五边形物体、矩形充电器、圆形容器，并进一步通过-25 kPa压力完成了对3 kg洗衣液瓶、5 kg水桶和12 kg大水桶的悬挂，证明了夹持器在多模式下的高负载能力与多类型物体适应性。鲁棒性实验中，夹持器在草莓中心偏移0、10、20和30 mm的条件下均成功抓取；不同形状物体（圆柱、长方体、草莓、球体、三角形）的允许位置偏移可达约45 mm。在固定25 mm水平偏移、改变相对角度（0°至40°）以及固定25°角度、改变水平偏移（40 mm至80 mm）的条件下，包络模式均表现出优于吞咽模式的峰值拉脱力。对1 kg电钻以30°与45°相对角度及0 mm与10 mm水平偏移进行连续20次抓取测试，结果显示由吞咽模式切换至包络模式后，抓取成功率显著提高，且在45°相对角度与10 mm水平偏移条件下仍能稳定抓取。水果拾放应用中，夹持器作为协作机械臂末端执行器，在单次动作中连续吞入五颗蓝莓，连续抓取两颗草莓并放入碗中，连续抓取三个柿子，以及从葡萄串中水平抓取多颗葡萄，展示了连续多物体抓取能力与农业自动化潜力。鲁棒性测试进一步表明，夹持器在水平抓取500 g砝码后快速运输，再垂直悬挂额外1 kg负载并保持快速运动（0.5 m/s）过程中始终未发生物体脱落；对猕猴桃进行包络模式抓取并剧烈摇晃时，水果依然保持稳定。此外，当抓取苹果等大于未充气状态的物体时，切换至0 kPa包络模式即可保持稳定抓取，从而降低对持续负压的需求，提高能效。
本研究的主要结果是提出并验证了一种单一环形充气腔结合柔性外壳的多模式软体夹持器。该夹持器通过V形褶皱实现内外径的主动调节，最大负载自重比达到3508%，工作气压范围为-25至15 kPa，最大允许位置偏移约45 mm、角度偏移约45°。与已有环形多模式夹持器相比，该设计的最大外径为45 mm，最大可吞咽或包络物体尺寸为70 mm，抓取范围与自外径之比为155%，最大负载12 kg，最大负载自重比3508%，且具备从吞咽到包络的模式切换能力以增强包络抓取性能，在同类设计中具有明显优势。
本研究的结论是：所提出的多模式软体夹持器通过将褶皱折叠与材料拉伸相结合，实现了吞咽、包络和扩张三种抓取模式的无缝切换，显著提升了夹持器对物体尺寸、质量及位置偏差的适应能力。该夹持器能够抓取从2 g薯片到12 kg水桶的广泛物体，并在抓取果冻、薯片等易碎物品时保持轻柔接触，展示了在精细物体抓取和农产品处理中的实际应用潜力。研究的科学价值在于提出了一种新型折纸启发的环形软体结构，并建立了褶皱几何参数与外径变化之间的解析模型，为软体夹持器的可编程径向扩展提供了设计依据。应用价值方面，其连续多物体抓取能力和模式切换策略可有效提高食品加工与农业自动化中的操作效率并降低能耗。未来研究将探索集成触觉传感器以进一步增强精细抓取功能。
本研究的亮点在于：其一，将环形充气结构与V形褶皱结合，实现了单一驱动器下的多模式抓取，突破了传统径向夹持器对物体尺寸的限制；其二，证明从吞咽模式切换到包络模式可大幅提升拉脱力和抓取成功率，在位置与角度偏差条件下表现出更强的鲁棒性；其三，通过解析建模与有限元仿真及实验结果的对照，系统揭示了褶皱数量对径向扩张性能的影响规律；其四，所设计的夹持器最大负载自重比达到3508%，在同类软体夹持器中处于领先水平，且能同时处理易碎与高负载物体，展示了广泛的适应性和实际部署价值。