在工业自动化与智能制造持续演进的背景下，机器人末端执行器的技术革新正逐步拓展其应用边界。传统刚性夹爪凭借结构稳固、定位精准等优势，在规则形状、质地坚硬物料的搬运中表现良好。然而，当面对表面脆弱、形态不规则或质地柔软的物料时，刚性夹爪易因接触应力集中、适应性不足等问题导致物料损伤、抓取失败，甚至影响整体生产流程的稳定性与产品良率。

柔性夹爪作为近年来机器人技术领域的重要发展方向，通过材料科学、驱动机制与仿生学原理的融合，为上述挑战提供了更具包容性的解决方案。其核心价值在于以柔性材料与自适应形变能力，实现对物料的温和包裹与稳定抓持，在保障物料完整性的同时提升自动化系统的适用范围。

本文将围绕柔性夹爪的技术基础，系统梳理其在易碎物料与异形物料抓取中的具体应用范畴、实现逻辑与实践案例，并结合多行业场景探讨技术特点与发展趋势。内容基于公开技术文献与工程实践整理，力求客观呈现技术现状，为相关领域的技术选型与应用探索提供参考依据。

一、柔性夹爪的技术原理与核心特点

（一）基本工作原理

柔性夹爪的本质在于摒弃传统刚性结构的固定夹持逻辑，转而依托柔性材料的物理形变实现与物料的动态适配。其典型结构由硅胶、聚氨酯、热塑性弹性体等高分子材料构成指状、囊状或整体式本体，内部集成气腔、流道或功能层。工作时，外部气源向腔体注入可控气压，材料因内外压差产生可控膨胀或弯曲形变，从而轻柔包裹目标物体表面；泄压后，材料依靠自身弹性恢复初始形态，释放物料。

除气动驱动外，部分设计采用液压微流控、形状记忆合金热致形变、电活性聚合物电场响应等机制，但气动方案因结构简洁、响应平稳、成本适中而应用更为广泛。该过程无需依赖高精度三维建模或实时力反馈系统，即可通过材料的本征柔性实现“形状自适应”，显著降低对物料几何信息的预设要求。同时，柔性接触面能有效分散局部压力，缓冲抓取过程中的瞬时冲击，为敏感物料提供物理保护层。

（二）关键技术特性

柔性夹爪的适用性源于多项协同作用的技术特性。

其一为形态自适应能力，机器人柔性夹爪在接触物料瞬间可依据轮廓动态调整接触面，适用于尺寸波动、表面起伏或未知形状的物体，减少因定位偏差导致的抓取失败。

其二为压力分布优化，柔性材料在受压时产生面接触而非点接触，使作用力沿接触区域均匀扩散，避免应力峰值对脆弱结构的破坏，尤其利于保护薄壁、脆性或软质表面。

其三为损伤抑制机制，材料本身的弹性模量较低，具备能量吸收特性，在搬运振动或意外碰撞中起到缓冲作用，降低物料破损风险。

其四为操作兼容性，多数柔性夹爪采用模块化接口设计，可便捷集成于六轴机器人、协作机器人或专用自动化设备，且部分型号支持快速更换指端结构以适配不同任务需求。

其五为环境适应潜力，通过材料改性（如添加抗菌剂、提升耐温等级、增强化学稳定性），夹爪可在食品级洁净环境、低温冷链、潮湿工况等特殊场景中保持功能稳定性。

需注意的是，上述特性需结合具体物料参数与工艺条件进行匹配验证，避免脱离实际应用场景的泛化推断。

二、易碎物料的抓取范畴与实现路径

（一）易碎物料的分类与特性分析

易碎物料泛指在机械应力、温度变化或操作不当条件下易发生结构性损伤的物体，其脆弱性源于材质本征属性或结构设计特点。

按材质与应用场景可归纳为以下类别：

玻璃与陶瓷类制品（如实验器皿、餐具、艺术品），具有高硬度但抗拉强度低、脆性显著的特点，边缘与曲面处尤为敏感；

生鲜食品类（如草莓、蓝莓、葡萄、熟透番茄、水蜜桃），果皮薄嫩、细胞结构疏松，受压易产生瘀伤或汁液渗出；

蛋类制品（鸡蛋、鹌鹑蛋），蛋壳为多孔脆性结构，局部压力集中易导致隐性裂纹；

精密电子元件（硅晶圆、OLED面板、柔性电路板），对微振动、静电、表面划痕高度敏感，微米级形变即可能影响功能；

生物医学样本（细胞培养皿、组织切片、微流控芯片），需在无菌、低应力条件下操作，避免样本污染或结构破坏；

其他高价值脆弱品（如古籍、油画、精密光学镜片），对操作精度与环境洁净度有严格要求。

此类物料的共性在于：允许的接触应力阈值较低、损伤具有不可逆性、且部分物料存在批次间形态差异，对抓取工具的温和性与适应性提出双重挑战。

（二）柔性夹爪在易碎物料抓取中的实践应用

在玻璃器皿自动化包装线中，柔性夹爪通过低压气动控制，使硅胶指端沿杯壁曲面缓慢贴合，形成环抱式支撑，有效规避刚性夹爪在杯口或杯底施加点压力导致的崩边风险。实验数据表明，在相同搬运节拍下，采用柔性方案可使玻璃杯运输过程中的可见破损率维持在较低水平。

水果分选环节中，针对草莓等浆果类物料，夹爪指端设计微凹曲面以匹配果实轮廓，气压调节至仅需克服重力的阈值，实现“零挤压”抓取；配合机器视觉识别成熟度与朝向，夹爪可动态调整抓取点位，减少果蒂损伤与表皮擦伤。在禽蛋加工场景，多指协同式柔性夹爪模拟人手托举动作，各指端独立微调形变以适应蛋体椭球形态，压力分布均匀覆盖蛋壳表面，显著降低运输振动引发的隐裂概率。

电子制造业中，用于晶圆搬运的夹爪采用防静电改性硅胶，并集成微气压闭环控制系统，确保抓取力稳定在毫牛级范围，避免晶圆弯曲或边缘崩缺；同时，夹爪本体经超净处理，满足百级洁净车间要求。

生物实验室自动化平台中，柔性夹爪用于转移96孔细胞培养板，其密封式指端设计防止交叉污染，抓取力度经标定可精确控制在不扰动孔内液体的阈值内，保障实验数据可靠性。值得注意的是，实际应用中需结合物料具体参数（如杨氏模量、临界破裂应力）进行夹爪选型与参数调试，并辅以过程监控（如高速摄像检测微变形）以持续优化操作策略。

三、异形物料的抓取范畴与实现路径

（一）异形物料的分类与特性分析

异形物料指几何形态偏离标准几何体（如立方体、圆柱体）、表面结构复杂或物理状态不稳定的物体，其抓取难点集中于接触点不确定、重心偏移、易滑脱或易变形。主要类型包括：

不规则固体（矿石标本、建筑碎料、回收混合垃圾），形状随机、表面粗糙度高、重心难以预判；

软质可变形体（生肉块、面团、布料、海绵、硅胶制品），受外力易发生塑性或弹性形变，抓取需兼顾形态保持与防滑；

复杂拓扑结构体（西兰花、芹菜带叶茎、珊瑚模型、多孔泡沫），表面凹凸交错、存在枝杈或孔隙，传统夹爪易卡滞或滑脱；

纤细柔性体（光纤束、细金属丝、纺织纱线），截面尺寸微小、刚度低，需避免弯曲过度或表面刮伤；

混合形态物料（带包装的异形商品、附着标签的瓶罐），需同时适应主体与附属结构的几何特征。

此类物料的共性挑战在于：缺乏统一的夹持基准面、抓取稳定性依赖动态摩擦与包裹效果、且部分物料存在卫生或洁净度要求，对夹爪的形态适应能力与表面交互设计提出较高要求。

（二）柔性夹爪在异形物料抓取中的实践应用

食品加工领域中，柔性夹爪在肉类分割后段处理环节表现突出。面对形状不规则的禽肉或鱼片，夹爪指端通过自适应形变紧密贴合肉质表面，利用材料微纹理增强静摩擦力，实现稳定抓取而不挤压变形；在面点生产线，夹爪可轻柔夹持发酵后的柔软面团，避免塌陷或结构破坏，保障后续成型工艺质量。

纺织与服装行业应用中，夹爪用于抓取丝绸、蕾丝等娇嫩面料，指端采用超细纤维覆层以减少纤维拉扯，配合低气压控制实现“无痕”夹持，适用于自动铺料、折叠或缝纫前定位工序。

资源回收场景下，柔性夹爪集成于智能分拣机器人，可有效抓取表面沾有油污或潮湿的塑料瓶、变形纸盒等混合废弃物；其包裹式抓取机制对物料表面状态容忍度较高，即使存在轻微污染仍能维持抓取可靠性，提升分拣效率与资源回收率。

农产品处理中，针对西兰花等花球类蔬菜，夹爪通过多指协同轻柔环抱花茎部位，避开脆弱花蕾，同时适应不同尺寸个体；在蘑菇采收自动化尝试中，微型柔性夹爪可精准夹持菌柄基部，减少对菌盖的机械损伤。

精密装配领域，柔性夹爪用于抓取微小珠宝配件或光纤连接器，指端经精密模压形成匹配凹槽，结合显微视觉引导，实现亚毫米级定位与毫牛级力度控制，避免元件划伤或错位。

在物流“最后一公里”分拣中，夹爪可自适应抓取书籍、玩具、化妆品等形态各异的商品，尤其适用于电商小件包裹的柔性分拣，降低因形状突变导致的掉包率。应用过程中需关注夹爪材料与物料表面的兼容性（如避免硅胶残留于食品表面），并通过参数标定（如气压-形变曲线）建立物料-夹爪匹配数据库，提升系统鲁棒性。

四、跨领域应用场景的综合实践

（一）食品加工与农业领域的应用

在果蔬采后处理环节，柔性夹爪广泛应用于分级、包装与转运。例如，在浆果自动化包装线，夹爪配合高帧率视觉系统识别果实位置与朝向，以预设低压完成单果抓取与入托，全程避免果实间碰撞；在番茄分选中，夹爪可区分成熟度并轻柔转移，减少青果与熟果混装导致的挤压损伤。烘焙行业利用柔性夹爪搬运发酵完成的面包胚或成品糕点，其均匀压力分布有效防止柔软制品塌陷或表皮破损。

农业温室采摘机器人中，夹爪集成近红外传感器辅助判断果实成熟度，执行仿生摘取动作，降低对植株的二次伤害。所有接触食品的夹爪材料均需符合国家食品接触材料安全标准，具备易清洁、耐消毒特性，且在设计中避免卫生死角，满足HACCP体系要求。

（二）电子制造与精密仪器领域的应用

半导体后道工序中，柔性夹爪用于晶圆盒（FOUP）的开合与晶圆转移，夹持部位采用低颗粒脱落材料，操作过程在氮气环境中进行，防止氧化与污染。显示面板生产线中，夹爪搬运大尺寸玻璃基板时，通过分布式气腔设计实现全域均匀支撑，避免局部应力引发微裂纹。

在消费电子组装环节，夹爪抓取已贴装元件的柔性电路板（FPC），其低振动特性减少对微焊点的冲击；同时，夹爪本体经抗静电处理，降低静电放电（ESD）风险。精密仪器校准场景中，柔性夹爪辅助调整光学元件位置，力度控制精度可达0.1牛顿级，保障校准过程的可重复性。此类应用强调夹爪与洁净室环境的兼容性，包括材料释气率控制、表面粗糙度优化等细节设计。

（三）医疗健康与生物技术领域的应用

在自动化药房系统中，柔性夹爪用于抓取不同规格的药瓶、安瓿瓶或泡罩包装药品，其自适应能力可应对瓶身标签凸起、瓶盖纹理等细节，避免滑脱或瓶体损伤。实验室自动化平台中，夹爪执行培养皿、移液管、离心管的转移操作，材料经环氧乙烷灭菌验证，满足生物安全二级（BSL-2）实验室要求；在细胞操作环节，夹爪力度经标定确保不扰动培养液面，维持细胞生长微环境稳定。

康复辅助设备领域，柔性夹爪集成于外骨骼手部，帮助手部功能障碍者完成抓握日常物品的动作，其温和交互特性提升使用舒适度与安全性。所有医疗相关应用均需遵循医疗器械相关法规，注重生物相容性与可追溯性。

（四）物流仓储与资源回收领域的应用

电商仓储“货到人”系统中，柔性夹爪安装于移动机器人末端，可稳定抓取书籍、化妆品盒、电子产品包装等形态多变的商品，适应商品表面覆膜、凹凸印刷等特征，降低分拣错误率。冷链仓储环节，夹爪材料经低温性能测试（如-25℃环境下保持弹性），用于搬运冷冻水饺、冰淇淋等易损冷冻食品，避免因夹持导致包装破裂。

城市生活垃圾智能分拣站中，柔性夹爪配合AI视觉识别塑料、纸类、织物等可回收物，其包裹式抓取对湿滑、变形物料容忍度高，提升分拣纯度与设备连续运行时间。在危险废弃物处理场景，夹爪可远程操作抓取破碎玻璃、尖锐金属等潜在危险物，减少人工暴露风险。此类应用注重夹爪的耐用性与维护便捷性，如模块化指端设计便于快速更换磨损部件。

五、技术挑战与可持续发展方向

（一）现存技术挑战的客观分析

柔性夹爪的推广仍面临若干需持续优化的环节。抓取力精准调控方面，不同物料对接触力的敏感阈值差异显著，现有开环气压控制在动态工况下（如物料表面湿度变化）可能存在适应性不足，需结合微型力传感器与自适应算法提升闭环控制能力。

材料耐久性方面，硅胶等高分子材料在长期高频次形变、紫外线照射或化学试剂接触下可能出现老化、硬化或表面磨损，影响抓取一致性，需通过材料配方优化与寿命预测模型延长服役周期。环境适应边界方面，在极端高温（>150℃）、强腐蚀性介质或高真空环境中，常规柔性材料性能可能衰减，需开发特种复合材料或防护涂层拓展应用范围。

系统集成复杂度方面，柔性夹爪与机器人控制器、视觉系统的参数匹配需专业调试，中小企业可能面临技术门槛，推动标准化通信协议与即插即用接口设计有助于降低集成难度。成本效益平衡方面，高性能柔性夹爪的初始投入相对较高，需通过规模化应用与全生命周期成本分析（如减少物料损耗、提升良率）论证其经济合理性。

此外，行业缺乏统一的性能测试标准（如抓取成功率、重复定位精度、物料损伤率量化方法），不利于用户客观评估与选型。

（二）未来发展的多维度展望

材料科学层面，研究聚焦于智能响应材料的应用，如光/热致变刚度材料可在抓取瞬间硬化提升承载力、释放时软化保障脱料顺畅；自修复聚合物可在微损伤后恢复功能，延长使用寿命；生物基可降解材料的研发契合绿色制造理念，减少环境负担。

感知与控制层面，多模态传感融合成为趋势，将微型触觉阵列、光纤布拉格光栅应变传感器嵌入夹爪本体，实时反馈接触压力分布与滑移状态，结合边缘计算实现抓取策略动态调整；数字孪生技术可用于虚拟调试，预演夹爪与特定物料的交互过程，优化参数设置。结构设计层面，仿生学启发持续深化，如借鉴章鱼触手的吸盘结构增强湿滑表面抓附力，或模仿人手指纹的微沟槽设计提升摩擦系数；模块化、可重构指端设计支持快速切换应用场景，提升设备利用率。

行业协作层面，推动建立柔性夹爪性能测试规范与物料适配数据库，促进技术经验共享；加强产学研合作，针对农业、医疗等细分领域开展定制化研发，提升解决方案的针对性。同时，注重人机协作安全标准的完善，在协作机器人应用中强化夹爪的碰撞检测与力限制功能，保障操作人员安全。技术发展需始终围绕“适用、可靠、可持续”原则，避免脱离实际需求的过度设计。

结语

机器人柔性夹爪作为自动化技术向精细化、人性化演进的重要载体，其价值在于以材料柔性与智能交互弥补传统刚性工具的局限，为易碎物料与异形物料的自动化处理提供了切实可行的技术路径。

从实验室的细胞培养皿到生产线的草莓包装，从回收站的混合垃圾到手术室的精密器械，柔性夹爪的应用正逐步渗透至社会生产与生活的多元场景，体现出技术对物料多样性的尊重与包容。需要清醒认识到，柔性夹爪并非万能解决方案，其效能发挥高度依赖于对物料物理特性、工艺流程及环境约束的深入理解，需通过严谨的测试验证与参数优化实现技术与需求的精准匹配。

未来，随着材料创新、感知技术与人工智能的协同发展，柔性夹爪将在自适应能力、环境鲁棒性与智能化水平上持续进步，同时行业需共同推动标准建设、成本优化与知识共享，促进技术健康有序发展。在自动化浪潮中，尊重物料特性、保障操作安全、提升系统效率应是技术应用的共同准则。本文旨在提供客观、中立的技术视角，期望为相关领域的实践者与研究者带来启发，助力自动化技术在更广阔领域实现安全、高效、可持续的应用。