智東西1月12日消息，近日，韓國首爾大學的研究人員從瓢蟲翅膀得到靈感，設計出一款柔性可摺疊機器人。
摺疊可以使機器人結構緊湊、重量變輕，許多研究者都曾做過類似研究。在減震機構、機車機械手等結構中，可摺疊設計也十分常見。但是，傳統設計中，可摺疊機械結構的每個表面都是不可變形的剛性面，難以儲存能量和實現穩健的自鎖。
首爾大學的研究克服了這一局限性。
這項研究已經發表在《科學·機器人學（Science Robotics）》期刊上，論文題目為《從瓢蟲得到啟發的柔性摺疊（Ladybird beetle–inspired compliant origami）》
一、瓢蟲翅膀：利用翼脈實現彈性儲能和自鎖
對於飛行動物來說，翅膀十分重要。在發生極端環境變化時或捕食者逼近時，它們需要快速展開翅膀逃離危險。
在這一過程中，翅膀快速展開的能力和承載能力缺一不可。翅膀的快速展開能力可以保證動物迅速動作；承載能力則可以保證飛行的穩定性，防止翅膀受空氣動力影響而失效。
鳥類利用翅膀上的肌肉和骨骼來保證快速展開能力和承載能力。但是，瓢蟲的翅膀卻十分奇特。
瓢蟲的翅膀是沒有骨頭和肌肉的膜狀翅膀，卻可以在100毫秒內快速展開，還能在高頻扇動時維持有效的空氣動力。
研究人員發現，這是因為瓢蟲翅膀上特殊的翼脈。瓢蟲的翅膀上有帶式彈簧（tapespring）形狀的翼脈，翼脈的橫截面曲率和柔性使其翅膀既能彈性儲能，也具有自鎖能力。
在翅膀處於摺疊狀態時，橫截面曲率使翼脈產生了較高的初始剛度，也保證了翅膀的自鎖。同時，在翅膀摺疊過程中，大量的能量被儲存在翼脈中。
這一點給了研究人員啟發：可以利用柔性材料實現機械的儲能、自鎖功能。
二、可摺疊結構：116ms內快速展開，可承重自身的150倍
借鑑瓢蟲翅膀翼脈的摺疊方式，研究人員設計出了一個柔性可摺疊機構。
首先，研究人員改變了以往可摺疊結構每個面都是剛性面的特點，選用了兩種不同材料進行製作。
在摺疊和展開時，材料彎曲部分的應變更大。因此，材料彎曲部分採用了防撕裂織物材料，材料平面部分採用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料製作。防撕裂織物材料的柔性比PET材料大100倍，具備與瓢蟲翅膀翼脈相似的橫截面曲率。
▲可摺疊結構材料示意
為了生產出曲面，研究人員在熱層壓步驟中使用了預先設計好的模具。
▲熱層壓步驟
在柔性摺疊的過程中，靠近摺疊線的彎曲面逐漸變平，彈性勢能儲存在變形的面上。儲存的彈性勢能使機翼能夠在116毫秒內快速展開。
▲彈性勢能轉化過程
另外，機翼面的彎曲形狀賦予了柔性摺疊結構自鎖能力。設計出的柔性摺疊結構可以承重其自身重量的150倍（約為210g，45mm力臂）。
為了進一步驗證該柔性可摺疊機構的性能，研究人員測量了摺疊角度，繪製出摺疊力矩圖，又根據力矩圖繪製了儲存的能量圖。
▲左：摺疊力矩；右：儲存的勢能
圖像顯示，摺疊力矩具有各向異性力矩投影，兩個峰值摺疊力矩呈現自鎖。柔性摺疊機構在不同的摺疊角度下儲存不同的能量。
三、成功應用於滑翔機
研究人員將柔性摺疊機構應用於一個滑翔機器人，並進行了試飛。
視頻第57秒可以看到，研究人員從3樓釋放機器人，機器人快速展開機翼，經過滑翔後平穩落地。
視頻第1分45秒開始的拍打飛行實驗中，研究人員從一個平臺上釋放機器人，機器人快速拍打機翼，維持了較好的空氣動力，成功飛到對面平臺上。
研究人員還在有風條件下做了實驗。視頻第1分54秒可以看到，機器人能保持較穩定的滑翔狀態，這說明機翼具有較好的承載能力。
實驗證明，將柔性可摺疊機構應用於滑翔機能實現較理想的滑翔性能。
結語：柔性可摺疊機器人研究新方向
韓國首爾大學研究人員借鑑了瓢蟲翅膀的摺疊方式，研究出一款可快速展開、具備自鎖功能、能儲存大量彈性勢能的柔性可摺疊機構，並成功將其應用於一個滑翔機器人，為之後的柔性可摺疊機器人研究指明了新方向。
論文中還指出，目前這種新型柔性可摺疊機器人受到材料的限制，研究人員將在未來進行更深入研究。