普林斯頓大學(xué)和北卡羅來納州立大學(xué)的工程師們將古代折紙和現(xiàn)代材料科學(xué)結(jié)合在一起，創(chuàng)造了一種柔軟的機(jī)器人，可以輕松地在迷宮中彎曲和扭轉(zhuǎn)。

軟機(jī)器人的引導(dǎo)可能具有挑戰(zhàn)性，因為轉(zhuǎn)向設(shè)備通常會增加機(jī)器人的剛性并降低其靈活性。普林斯頓大學(xué)的博士后研究員趙拓說，新的設(shè)計通過將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接安裝到機(jī)器人體內(nèi)，克服了這些問題。

在5月6日發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)上的一篇文章中，研究人員描述了他們是如何用模塊化的圓柱形部分制造出這個機(jī)器人的。這些部分可以獨(dú)立操作，也可以連接成一個更長的單元，它們都有助于機(jī)器人的移動和轉(zhuǎn)向能力。新系統(tǒng)允許靈活的機(jī)器人向前和反向爬行，拾取貨物并組裝成更長的隊形。

作者在文章中寫道:“模塊化軟機(jī)器人的概念可以為未來能夠生長、修復(fù)和開發(fā)新功能的軟機(jī)器人提供洞察力?！?/p>

趙說，機(jī)器人在移動中組裝和分裂的能力使該系統(tǒng)可以作為單個機(jī)器人或群體工作。

“每個部分都可以是一個獨(dú)立的單元，它們可以相互通信，并根據(jù)命令組裝，”他說?！八鼈兒苋菀追蛛x，我們用磁鐵把它們連接起來。”

Zhao在土木與環(huán)境工程系和普林斯頓材料研究所的Glaucio Paulino實(shí)驗室工作。保利諾是瑪格麗塔·英格曼·奧古斯丁工程學(xué)教授，他創(chuàng)建了一個研究機(jī)構(gòu)，將折紙應(yīng)用于從醫(yī)療設(shè)備到航空航天和建筑等廣泛的工程應(yīng)用。

保利諾說:“我們創(chuàng)造了一種生物啟發(fā)的即插即用軟模塊化折紙機(jī)器人，它由電熱驅(qū)動，具有高度可彎曲和適應(yīng)性強(qiáng)的加熱器?！薄斑@是一項非常有前途的技術(shù)，有可能轉(zhuǎn)化為可以根據(jù)需求生長、愈合和適應(yīng)的機(jī)器人?！?/p>

在這種情況下，研究人員開始用具有折紙形式的圓柱形部分構(gòu)建機(jī)器人，稱為克雷斯林模式。這種模式允許每個部分扭曲成一個扁平的圓盤，并擴(kuò)展回一個圓柱體。這種扭曲、擴(kuò)張的運(yùn)動是機(jī)器人爬行和改變方向的基礎(chǔ)。通過部分折疊圓柱體的一部分，研究人員可以在機(jī)器人部分中引入橫向彎曲。通過組合小彎，機(jī)器人在前進(jìn)的過程中改變方向。

這項工作中最具挑戰(zhàn)性的方面之一是開發(fā)一種機(jī)制來控制用于驅(qū)動和引導(dǎo)機(jī)器人的彎曲和折疊運(yùn)動。北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了這個解決方案。他們使用了兩種材料(液晶彈性體和聚酰亞胺)，這兩種材料在加熱時收縮或膨脹的方式不同，并將它們沿著克雷斯林圖案的折痕組合成細(xì)條。研究人員還在每個折疊處安裝了一個由銀納米線網(wǎng)絡(luò)制成的薄可拉伸加熱器。納米線加熱器上的電流加熱控制條，兩種材料的不同膨脹導(dǎo)致控制條產(chǎn)生褶皺。通過校準(zhǔn)電流和控制條中使用的材料，研究人員可以精確地控制折疊和彎曲，以驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動和轉(zhuǎn)向。

“銀納米線是制造可拉伸導(dǎo)體的優(yōu)良材料。可拉伸導(dǎo)體是包括可拉伸加熱器在內(nèi)的各種可拉伸電子設(shè)備的組成部分。在這里，我們使用可伸縮加熱器作為彎曲和折疊運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)制，”北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械和航空航天工程系的安德魯·a·亞當(dāng)斯杰出教授、首席研究員之一朱永說。

朱實(shí)驗室的博士后研究員吳爽說，該實(shí)驗室之前的工作使用了可拉伸加熱器來連續(xù)彎曲雙層結(jié)構(gòu)?！霸谶@項工作中，我們實(shí)現(xiàn)了局部的、鋒利的折疊來驅(qū)動折紙圖案。這種有效的驅(qū)動方法通?？梢詰?yīng)用于軟機(jī)器人的折紙結(jié)構(gòu)(帶有折痕)?！?/p>

研究人員表示，目前版本的機(jī)器人速度有限，他們正在努力提高下一代機(jī)器人的運(yùn)動能力。

趙說，研究人員還計劃對不同的形狀、圖案和不穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗，以提高速度和轉(zhuǎn)向性能。美國國家科學(xué)基金會和美國國立衛(wèi)生研究院為這項研究提供了部分支持。