最前沿 | 登上Science 子刊封面!受吞鰻啟發的「雙模」變形摺紙軟體機器人

2021-01-20 智創杯前沿技術挑戰賽
視頻展示 | 基於「雙模」變形摺紙結構的一系列軟體機器人



收到吞鰻啟發的「雙模」變形摺紙結構


自然界海洋中有一種奇異的魚類叫做「吞鰻」(又名闊嘴鰻，巨口鰻，Pelican eel，學名Eurypharynx pelecanoides)，外觀看來就是一隻再普通不過的鰻魚，可以用「平平無奇」來形容，但是當它一張嘴，絕對能夠讓你驚嘆不已。

 


吞鰻的嘴巴可以擴張到吞下大於自己身體數倍的獵物。極端膨脹後的嘴巴圓圓的像氣球一般，奇異中又帶一點呆萌，這就要歸功於魚類嘴部特殊的結構。



吞鰻的嘴巴的變形原來是由兩個不同的模式來實現的，其中包括「基於頭部骨骼的幾何形狀上的展開」和「有彈性的皮膚的拉伸膨脹」。藉由這兩種變形模式，吞鰻的嘴巴可以由非常細小的狀態到非常極端的變形狀態。


研究者們基於這種變形模式提出了一種新的軟體機器人摺紙結構，這種結構首先會基於一個框架進行摺紙展開，然後又進行拉伸膨脹，從而實現極端的形變。他們稱這種結構為「雙模」變形摺紙結構(Dual-mode morphing origami)。和傳統的摺紙結構或者氣動軟體機器人相比，「雙模」結構可以說是集成了兩者的優點，按照特定的摺紙結構實現由極小體積的初始狀態到極端變形的最終狀態的轉變。


該項技術再一次登上了《科學》（Science）雜誌的大子刊《科學-機器人學》（Science Robotics）的封面。

登上《科學-機器人學》雜誌封面的新型軟體機器人技術

下面先展示一些論文中的研究團隊製作的軟體機器人讓大家一飽眼福：


仿生吞鰻機器人動態圖



下面這幅圖對比了傳統的「摺紙結構」軟體驅動器和「雙模」變形摺紙結構軟體驅動器，不難發現，單單從驅動器轉過的角度來看，雙模變形結構產生的形變量足足是傳統「摺紙結構」軟體驅動器的2.5倍。


 


基於三種摺紙結構研發的「雙模」變形結構


研究者基於三種非常典型的摺紙(Origami)結構設計了「雙模」變形結構，分別是：摺紙魚的結構(paper origami fish)，三浦摺紙結構(Miura origami)以及吉村摺紙結構(Yoshimura origami)。


研究者們在設計「雙模」變形結構時，會設計一些特殊的「軟體骨架支撐」，軟體骨架之間用高彈性矽膠薄膜連接，通過這樣的設計來實現有順序的「雙模」變形。當向「雙模」變形結構內部充入流體後，隨著壓力的提升，結構會率先沿著設計者想要的摺紙展開的方向發生形變，然後再繼續增加壓力從而整個結構產生拉伸膨脹。


下面跟著小編來看看三種「雙模」變形結構的展示。


首先是基於摺紙魚結構的雙模變形結構，研究者們利用這種結構製作了仿生的吞鰻：

 


另一種非常有名的摺紙結構，三浦(Miura)摺疊，廣泛被應用於地圖和人造衛星上。研究者們利用這種結構製作了一個可以由扁平的摺疊結構瞬間膨脹為大體積的彎曲結構。


富有想像力的研究者們做了一個「沙地」隱形捕手，通過瞬間的變形抓住了一隻正在通過的六足機器人，也正是這一場景被《科學-機器人學》雜誌選中，刊出在了封面上。 



最後一個展示的模型是基於吉村摺紙結構的「雙模」變形結構。該結構可以由一個扁平的結構拉伸膨脹為一個圓柱狀/球狀的結構。研究者製作了一個通用的萬能軟體抓手，並且展示了極其多樣的抓取性能。


基于吉村(Yoshimura)型摺紙的「雙模」變形結構


 



 「雙模」變形結構的總結與應用前景


除了之前提到的幾個典型的例子，研究者還製作了一個可以爬行的軟體機器人和一個像大白一樣的可以「抱抱」的軟體機器人，展示了「雙模」結構的一些其他的可能應用。


 


「雙模」變形結構通過應用現存的兩種變形機制，即展開和拉伸，實現了由小體積到極端體積的形變，這篇論文向我們證明了這種結構具有極強的自適應性，極大的體積變化率，以及比較快的響應速度。


研究者在論文中指出，除了在文中提到的三種摺紙模式，他們的設計原理可能適用於更多的摺紙結構，例如Kresling摺紙（一種圓柱形到扁平型的摺紙結構）或者有扭曲和徑向運動的摺紙魔術球結構。「雙模」變形結構為材料架構，形狀變形系統的研究中提供了一個新的平臺，並且為研究製造仿生的變形機構，可攜式軟體機器人，生物醫學設備，以及活性超材料提供了平臺。


 參考文獻 

Kim, Woongbae, JunghwanByun, Jae-Kyeong Kim, Woo-Young Choi, Kirsten Jakobsen, Joachim Jakobsen,Dae-Young Lee, and Kyu-Jin Cho. "Bioinspired dual-morphing stretchableorigami." Science Robotics 4, no. 36 (2019).


 相關連結 

https://robotics.sciencemag.org/content/4/36/eaay3493.abstract

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