软体机械臂中触觉与视觉的传感融合用于果实采摘

为脆弱果实而生的温柔机器人

任何带回家却发现草莓被碰伤的人都知道，娇嫩的果实很容易受损。农民在大规模种植中也面临相同问题，因果实采摘时机不当或处理过于粗糙而损失大量收成。这项研究介绍了一种软体、满载传感器的机器人手，旨在像人类采摘者那样“看”和“摸”果实，从而能够温和、快速地采摘草莓和鳄梨等作物，并大幅减少浪费。

为何田间需要软体之手

许多水果只在成熟度上给出细微线索。有些如果类，颜色变化缓慢并在数周内仍然坚实；而有些如果实，如莓类，则会迅速变软并在数日内开始变质。仅凭颜色常常不可靠，手动按压又存在压伤风险。人类采摘者长期以来依靠视觉与触觉的平衡来判断，但如今种植者面临劳动力短缺和大规模检验的巨大挑战。现有的农用机器人多依赖刚性金属夹持器和远离果实的相机，这使得准确判断颜色、大小和硬度变得困难，且仍可能伤害到娇嫩的农产品。

将视觉与触觉合于一体的紧凑夹持器

研究团队构建了一只呈星形的机器人手，五根软指围绕中央掌部排列。每根手指由可弯曲的橡胶状材料制成，通过向内注气实现弯曲。指体内隐藏着导光的透明塑料光纤，光线的变化可以反映每根手指的弯曲程度以及施加的压力。在指尖处，U形光纤作为触觉传感器，告诉系统所接触的是软物还是硬物。在掌部，微型摄像头与距离传感器并排放置，可对每个果实提供特写视图并测量其视在大小。所有这些通过小型电路板和计算机连接在一起，融合为夹持器所触及和所见信息的统一图景。

软体之手在果实上的表现

为了评估装置的能力，团队首先测量了手部的力学特性。软指的弯曲度可达近三分之二圆周，并与计算机仿真结果相匹配，夹持器闭合物体的时间不到两秒。它可提起最高一公斤的重量，超过自身重量的十六倍，其张开范围从中央的小开口扩展到足以包裹多种果实的区域。视觉系统在识别简单形状（如立方体和球体）时几乎总是正确，并在不同视距下将其尺寸估计到仅有百分之几的误差。通过关注每个像素的色调（基本色调），摄像头在固定照明下能够可靠地区分红色与绿色，尽管对相似红色草莓之间的微妙差异仍具挑战性。

能够区分硬与软的触觉

触觉与弯曲传感器让机器人手以补充视觉的方式“触摸”果实。当手指弯曲时，嵌入光纤内的光线以可预测的方式变化，使系统能够推断每根手指弯曲的程度以及物体的大致重量。在针对从非常软的橡胶到坚硬塑料的测试样品施压时，指尖触觉传感器表现出随着施力变化的明显光强变化。这使夹持器能够区分硬物与软物，并根据硬度感知未熟与成熟果实之间的差别。在演示中，机器人轻柔地抓取超市购买的草莓和鳄梨，测量它们的颜色和尺寸，并利用组合数据将成熟与未成熟样品分开，且无明显挫伤。内置的扭转模块甚至使手可以绕果柄旋转，将温室中的草莓从植株上摘下。

从实验室原型走向未来的农场助手

这些能力表明，单一软体夹持器能够在执行采摘操作的同时收集关于果实颜色、形状、大小和硬度的丰富信息。对种植者而言，这类工具可帮助更准确地决定采摘时机，减少手工挤压和分拣的需求，并降低因果实受损或过熟导致的损失。尽管当前系统仍面临实际问题，例如复杂的接线和可能被果汁污染的脆弱光纤，但它指向了这样一个未来：配备温柔且具感知能力之手的机器人，将帮助更多高完整度、高质量的果实从田间送到餐桌。

引用: Mishra, A.K., Ramaswami, A., Shree, V. et al. Sensor fusion of touch & vision in soft manipulators for fruit picking. Nat Commun 17, 4307 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70588-9

关键词: 软体机器人, 果实采收, 触觉传感, 计算机视觉, 精准农业