哈佛大學的工程師們開發了一種新方法，旨在設計模仿人類膝關節的機器人關節，從而提高機器人的效率並增強抓取能力。這種方法採用了滾動接觸關節，這是一對曲面在彈性連接器的支撐下相互滾動和滑動。新方法根據每個關節元件必須執行的力量和任務優化其形狀，這使得關節本身能夠有效地引導能量，減少對大型驅動器和複雜控制系統的需求。
該研究的首位作者、哈佛大學工程與應用科學院（SEAS）博士生 Colter Decker 表示：「當有一個機器人時，如果你知道它需要做什麼——也許是一個行走的機器人——你可以開始思考最佳的施力點。如果我們能將這些決策嵌入機器人的機械結構中，就能創造出更高效的機器人。它們可以使用更小的驅動器，因為能量被針對性地輸送到需要的地方。」他補充道，目標是將盡可能多的運動控制轉移到機械和材料上，讓控制系統專注於任務層面的目標。
這一思想源於對柔性機器人抓取器的改進努力，這些抓取器必須柔和地環繞物體，同時施加強大的力量。研究團隊通過將剛性連接與柔性關節結合，考察了滾動接觸關節，試圖模仿人類肢體的骨骼和軟骨。在測試中，經過新方法優化的膝關節比標準關節的對準誤差減少了99%。一個以相同方式設計的雙指機器人抓取器能夠承受超過傳統圓形關節和滑輪設計的抓取器三倍的重量，且驅動器輸入相同。
傳統的滾動接觸關節使用簡單的圓形表面，而哈佛團隊的方法則能設計不規則形狀，這些形狀遵循特定路徑並沿著這些路徑提供所需的力量比。Decker 表示：「我們進行了大量數學推導，探討如果有一個特定的期望軌跡，並且在這個軌跡上希望有特定的力量傳遞比，我們是否能找到具有這些特性表面的滑輪。然後，我們可以將這個設計過程應用於優化行走、跳躍或抓取等任務的關節。」
優化的滾動接觸關節可以擴展到廣泛的應用領域，從輔助設備和外骨骼到類人機器人以及對動物的生物力學研究。這種設計使關節能夠針對特定動作進行定制，最大化效率和性能。這一方法代表著朝著更自然運動的機器人和設備邁出了一步，利用機械本身解決複雜的運動問題，而不僅僅依賴於軟件。該研究已發表於《美國國家科學院院刊》。
