加州大學開發摺疊『起重機』，智能材料為摺紙機器人迎來新時代

導讀

自然界中的生物可以使其身體變形以適應運動和環境。例如，瓢蟲控制機翼的摺疊，松果則可以根據環境的溼度進行摺疊和展開以控制種子的分散。這種啟發使摺紙機器人成為機器人設計中的新前沿領域。摺疊式組裝的簡單性和低成本也是摺紙機器人的優勢。美中不足的是，這種製造方式具有一個主要缺點：摺疊操作時必須依賴外部電線和電池提供動力。要克服這一難題，智能材料的開發是一個不錯的方向。

加州大學聖地牙哥分校的生物啟發機器人與設計實驗室誕生了無數偉大又奇妙的仿生機器人。這不，最近他們利用液晶彈性體設計了一種自動摺疊機器人，加熱時會像人造肌肉一樣收縮，還把它疊成了不同的形狀。

這像不像我們小時候疊的紙葫蘆，別看它長得小小的，它能抬起比自身重38倍的重量，研究人員管它叫做起重機。

堅韌的同時不失美感，一朵百合花緩緩綻放。

將三個起重機逐一收縮，連起來就變成了爬行機器人。

『起重機』的背後是智能材料

首先給大家科普什麼是液晶彈性體，它是一種輕微交聯的液晶聚合物網絡。在磁場、電場、溫度或預拉伸的影響下能夠進行可逆的變形。由於它們的致動特性，液晶彈性體常常被用來製作軟機器人或人造肌肉，是非常有吸引力的候選者。

研究人員選擇用加熱的方式驅動液晶彈性體，利用光刻技術將加熱層嵌入了液晶彈性體中。『起重機』的摺疊結構是一種稱為Sarrus聯動的機制，可以使單個驅動肌肉可以在兩個方向上摺疊。圖中紅色和藍色的箭頭分別表示致動器的加熱和冷卻狀態。當液晶彈性體被加熱時，致動器處於彈出狀態；材料被冷卻後，致動器自動縮回扁平狀。

看看它的動態響應。

『起重機』的收縮與液晶彈性體的加熱時間有關，研究人員發現，當加熱到30s左右，材料的應變能力達到峰值，『起重機』完全展開，摺疊角最大為64°；當加熱停止時，液晶彈性體開始立刻鬆弛，但要達到完全鬆弛狀態需要2分鐘。

『起重機』的負重能力隨溫度的增加而增加。在啟動狀態，眨眼間便可抬起20g的負載。

研究人眼預測它的最大負載能力可達到700g，但在施加200g的重量時，頂層材料開始傾斜使重物掉落，即便如此，這對於僅一層智能材料的負重能力來說也很優秀了。

看看它在100g負重下的表現

爬行機器人的運動原理

爬行機器人的靈感來源於毛毛蟲的逆行蠕動，毛毛蟲利用其關節的收縮與鬆弛以及剛毛的摩擦力產生運動。

研究人員將三個『起重機』模塊連接組成爬行機器人，並分配每個模塊的收縮與鬆弛序列。連接在一起的模塊在啟動時會互相約束，因此發生傾斜。

當第一個模塊收縮並傾斜時，它就開始將運動波傳播到第二個模塊，第二個模塊收縮並傾斜使它就充當爬蟲的錨點（高摩擦力點），這時第一個模塊鬆弛下來，第三個模塊收縮成為錨點，而前兩個模塊一起鬆弛，是機器人產生運動。這種行為使機器人的運動方向與驅動順序相反，例如，從第一個模塊開始驅動時，機器人向後爬行了17mm；而從第三個模塊驅動，機器人則向前爬行了10mm。

總結與展望

從摺紙藝術中汲取靈感的機器人和機構設計具有產生緊湊，可部署，輕型的變形結構的潛力，正如自然界所看到的那樣，可應用於搜救，航空航天系統和醫療設備中。然而，要獲得可圖案化，可逆並以可擴展的製造工藝製造的自動摺疊機的致動裝置是具有挑戰性的。在這項工作中，液晶彈性體（LCE）作為人造肌肉，通過逐層過程獲得肌腱驅動的驅動力，並使用Sarrus連結機制生成可逆的自摺疊模塊。通過三個模塊製作了自摺疊爬行機器人。

液晶彈性體製作摺疊機器人的最大的挑戰在於，它的致動是熱驅動的，因此從激活到鬆弛的時間過長，也不利於節能。未來的工作集中在調整液晶彈性體的性能上，以使其達到較低的轉變溫度。