机械手新突破！一个电机驱动6个关节，既能捏泡沫，又能拎3斤重物

一直以来，机械手的灵巧操作有个让人头疼的矛盾。想让它力气大，就得用齿轮箱，结果关节硬邦邦，稍微碰一下就可能会伤到人或者捏碎东西；想让它温柔可被外力轻松推开，力气又上不去。

传统的齿轮传动，在小型化之后力输出捉襟见肘。软体机器人虽然柔顺，但要么力气不够，要么响应太慢。气动系统力大又柔软，可一提到小型化、多自由度阵列，就难以实现。

有没有一种驱动方式，能让同一个机械手既能像羽毛一样轻柔贴合，又能像老虎钳一样牢牢锁死，而且还能在两种状态间瞬间切换？

近日，机器人学领域权威期刊《npj Robotics》 上发表了一项有趣的研究。来自美国西北大学的国际研究团队给出了一套让人眼前一亮的方案，他们用绞盘式放大的电粘附离合器，让单个电机通过可寻址的离合器同时驱动多个关节，力的大小跨越了三个数量级。

那么，他们到底是怎么做到的？

01.

从电粘附离合器到绞盘放大：力气不够，角度来凑

先认识一下核心部件：电粘附（EA）离合器。

它由两片柔性薄膜电极和中间的介电层构成。不通电时，两片膜可以相对滑动；通电后，静电吸引力让它们紧密贴合，通过摩擦力传递剪切力。但这种平面结构的力密度有限。想要更大的力，要么换材料，要么改变几何形状。

研究团队想到了一个古老的机械原理：绞盘效应。你肯定有过这种体验，把绳子在柱子上多绕几圈，另一端只需要很小的力，就能拉住很重的物体。绳子传递的力会随着缠绕角度呈指数级增长。

他们把电粘附离合器薄膜缠绕在圆柱形表面上，结果惊人。同样是通电粘附，3.5圈（约1260°）的配置，能产生超过140 N的保持力（约14公斤力）。而没通电时的预紧力只有4.6 N，开关性能高达0.967。这意味着几乎可以做到“通电锁死，断电自由”。

更妙的是，他们建立了一个力学模型，并用应变成像技术实时观测了力的传递过程。滑移从高张力侧开始，像裂纹一样向低张力侧蔓延。这个模型精准预测了不同电压、不同缠绕角度下的力传输行为。

一句话总结，在材料性能到顶之前，先用几何结构来放大。

02.

双离合器设计：一个负责拉，一个负责锁

有了大力的离合器，怎么用到机械手上？

他们设计了一套负载传递架构。每个输出端配了两个离合器。拉动离合器连接驱动轴，负责产生肌腱张力。锁定离合器，连接机械接地（固定框架），负责保持张力。

工作流程是这样的。电机转动 → 拉动离合器通电，把铝环带着转 → 肌腱被拉紧，手指弯曲。等手指到位后，锁定离合器通电，把铝环卡死在地面上，这时候电机就可以断电了。

这意味抓取物体后，电机不需要再持续供电来对抗重力。锁定状态下的功耗低至亚毫瓦级——几乎可以忽略不计。而传统电机驱动要想保持位置，要么持续通电，要么用自锁齿轮。

这个设计还带来了宽范围的力调节。

通过高压脉宽调制（PWM）来控制离合器，他们实现了亚牛顿级（<0.1 N）的力分辨率。实验数据显示，调节占空比（0-100%），输出力可以从几乎0平滑上升到数牛顿。而且离合器开关频率接近1 kHz的毫秒级响应，这意味着可以高速地调制力，实现柔顺交互。

03.

一个电机，六个关节：可反向驱动的机械手

基于这项技术，团队搭建了一个肌腱驱动的双指夹爪。每根手指3个自由度，总共6个关节，全部由两组电粘附离合器控制，共用一个带齿轮的直流电机。

他们演示了几个让人印象深刻的场景。

低占空比（比如15%）下，手指处于柔性模式，可以轻松贴合不规则形状的软泡沫，而且可以被外力反向驱动。用户可以直接用手把抓着的塑料瓶重新摆个位置，关节会被动地适应，完全不需要主动力控制。这在人机协作或处理易碎物品时极为有用。

然后，一键切换到锁定模式。同一个夹爪，在低占空比下轻轻捏住一个空塑料瓶，然后给锁定离合器通电，手指立刻变得纹丝不动。往瓶子里装金属零件？没问题。夹爪稳稳当当，电机却几乎不耗电。

负载测试更是硬核。在双指握拳姿态下，夹爪能拎起1.36公斤的物体（约3磅）。实验中，一个EA离合器就靠那层薄薄的薄膜，直接吊起了一袋3磅的重物。

他们还测试了不同表面摩擦力下的抓取能力。光滑表面无法承受0.5公斤的重量，但加上硅胶高摩擦层后，能稳定抓取0.635公斤。如果两个手指形成握拳姿态，负载能力进一步提升到1.36公斤。

具有模式切换功能的双指肌腱驱动夹爪，用于灵巧操作

04.

局限与未来：离真正的人手还有多远？

当然，这项技术也不是没有短板。

论文作者坦诚地指出了几点：峰值力依赖于动态摩擦系数，而摩擦系数会随着速度、表面磨损、湿度等环境因素变化。铝环和轴承会增加惯性，略微降低低力响应的灵敏度。另外，目前还没有实现闭环力控制，他们是通过改变占空比开环调节力，未来如果能集成肌腱力传感器，精度还能再上一个台阶。

不过，这项工作的意义在于提供了一种可扩展的新范式，将“拉动”与“锁定”功能分离，通过可寻址的电粘附离合器实现单个电机多路复用，让紧凑、低功耗、宽力范围且可反向驱动的机械手成为可能。

未来的方向也很清晰。更轻的负载传递硬件、更高的高压驱动频率、更长的耐久性测试，以及向更高自由度（接近人手）的扩展。

也许有一天，一个拥有20多个自由度的仿人灵巧手，只需要两三个小电机和和几片薄薄的电粘附离合器，就能既温柔地捏住一颗草莓，又牢固地抓起一把锤子。

而且，它还很省电。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44182-026-00084-1