哈佛大学升级Kirigami蛇形机器人可编程外壳提高速度和精准度高压胶管

04-30

2018年2月21日，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的一支研究团队，为世界带来了一款基于kirigami原理设计的蛇形软体机器人。时隔一年，该团队带着更智能的升级版kirigami再次出现在大众面前。

初代 Kirigami 蛇形机器人

凭借其光滑的身体，蛇可以以每小时14英里的速度滑行，挤入狭小的空间，爬树和游泳。它们是如何做到的呢?这一切都是因为鳞片的缩放。随着蛇的移动，它的鳞片抓住地面并推动身体前进，就像是冰爪帮助徒步旅行者在滑冰中建立稳定点。由于蛇鳞的形状和位置变化，这种所谓的“摩擦辅助运动”是可行的。

于是，来自哈佛大学威斯研究所和哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员当时就开发出一种软体机器人，它能像蛇一样爬行，而且没有坚硬的部件。这种软体机器人是使用kirigami制作，kirigami是一种古老的日本纸制工艺，依靠切割而不是折纸折叠来改变材料的属性。随着机器人的伸展，扁平的kirigami表面被转变为3D纹理表面，就像蛇皮一样抓住地面。这项研究当时还发表在《科学机器人》杂志上。

“近年来，人们对如何制造这种可变形，可拉伸的结构进行了大量研究，”SEAS博士后研究员，该论文的第一作者Ahmad Rafsanjani博士说，“我们已经证明，kirigami可以集成到软体机器人中，以比以前的大多数技术更简单，更快速，更便宜的方式实现运动。”

研究人员们利用激光切割机在塑料片上刻下多个微型切口，而后将该材料缠绕在可膨胀与放气的硅胶管周围。在充气时，切口会弹起并抓住地面。而在放气时，机器人即可向前移动。该胶管本身还包裹有凯夫拉尔纤维，用以保持机器人的固有形状。

当执行器膨胀时，kirigami切口弹出，形成一个抓住地面的粗糙表面。当执行器放气时，切口折平，向前推进履带。

哈佛大学研究人员还发表了一篇关于新型机器人的论文，论文里提到利用蛇鳞结构的“各向异性摩擦特性（anisotropic frictional properties）”，从剪纸艺术找到设计灵感，能够制造出一种充气式柔性机器人，通过充气与放气的循环动作实现爬行。

当全部蛇鳞都指向相同的方向，从而提到可利用的摩擦力，使蛇体更容易向前移动而非向后移动。虽然这会使蛇很难向后移动，但同时亦意味着蛇类可以首先将全部鳞片张开以获得向前的动势，而后沿腹部收拢以推动身体后退。如此一来，只要蛇鳞在前后移动的过程中摩擦力相等，其即可略微退后。再有，由于蛇鳞存在朝向，因此其一侧光滑而另一侧粗糙。这意味着只要蛇类能够停留在表面，其即可顺利向前移动。值得一提的是，这也正是bristlebots的工作原理。

为了制造与蛇鳞类似的鳞片皮肤，该团队制造了各种可伸缩的塑料片，尝试了多种不同的切口形状，且每一片鳞片都通过激光蚀刻刻有独特的图案。这种结构使得机器人在躯体膨胀并拉伸鳞片材料时，原本平均的鳞片会变形并从机器人体内弹出，进而抓住地面并将躯体的反复膨胀转化为向前运动。这种方式简单、成本低廉且非常有效。

经过三角形与圆形切割之后，该团队最终发现梯形鳞片最适合这款特定蛇形机器人，不是因为梯形能够产生更大的摩擦力，恰恰相反，梯形允许鳞片得以充分伸展，从而帮助机器人在膨胀自身躯体时得以产生更长的“步幅”。只要鳞片设计能够在机器人向前移动时有效将自身锚定在地面上（提供更强大的抓地力），那么机器人即可将向前移动快速转换为原地拉伸。

“我们证明，通过适当平衡切割几何形状和驱动协议，可以利用这些kirigami皮的机车性能，”Rafsanjani说，“未来，这些组件将会进一步优化，以提高系统的响应能力。”

Wyss和Harvard的研究人员已经设计出一个完全不受束缚的软体机器人，它的一个小尾巴集成了机载控制、传感、驱动和电源。

该论文的资深作者Katia Bertoldi博士---Wyss研究所和威廉和阿米宽的助理教员，丹佛斯SEAS应用力学教授表示：“我们相信我们基于kirigami理论为设计一类新型软爬行器开辟了道路，”“这些全地形软机器人有朝一日可以穿越困难的环境进行探索，检查，监测，搜索和救援任务，或执行复杂的腹腔镜医疗程序。”

这不是机器人首次从蛇身上找灵感设计。斯坦福大学所开发的救援机器人与Eelume公司的水下维修机器人同样与蛇类相关。同时，也已经出现了剪纸式设计在太阳能电池与石墨烯纳米技术领域的应用。不过，哈佛大学的蛇形机器人是首次将二者设计研究加以结合。

新一代Kirigami蛇形机器人

近日，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究团队创造出一种新的、改进过的蛇形软体机器人，它比之前的机器人更快、更精确。

第一代机器人使用的是扁平的kirigami板，拉伸后会均匀变形。而新机器人有一个可编程外壳，这意味着kirigami切割可以根据需要弹出，提高机器人的速度和精度。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

“这是具有非均匀弹出变形的kirigami结构的第一个例子，”SEAS的博士后研究员，该论文的第一作者Ahmad Rafsanjani说，“在扁平的kirigami中，弹出窗口是连续的，意味着一切都会立刻出现。但是在kirigami外壳中，弹出是不连续的。这种形状转换的控制可以用来设计响应式表面和智能皮肤，这就需要改变它们的纹理和形态。“

这项新研究结合了材料的两个特性，切口的大小和板材的曲率。通过控制这些功能，研究人员能够将弹出窗口的动态传播从一端编程到另一端，或控制本地化弹出窗口。

在先前的研究中，在弹性体致动器周围缠绕了扁平的kirigami片。在这项研究中，kirigami表面被卷成圆柱体，致动器在两端施加力。如果切口尺寸一致，则变形从圆柱体的一端传播到另一端。但是，如果仔细选择切口的大小，可以将皮肤编程为按所需顺序变形。

“通过借鉴相变材料的想法并将其应用于基于kirigami的建筑材料，我们证明了弹性和未爆裂的相可以同时在圆柱上共存，”Katia Bertoldi，William和SEAS的应用力学和论文的高级作者Ami Kuan Danoff教授说，“通过简单地结合切割和曲率，我们可以编写非常不同的行为。”

接下来，研究人员的目标是为更复杂的变形开发逆设计模型。

SEAS的研究生和该文章的合着者Lishuai Jin表示：“这样做的目的是，如果你知道自己想让皮肤如何变形，你可以剪切下来，卷起来就可以了。”

这项研究还得到了美国国家科学基金会的部分资助。随着技术的发展，蛇形机器人也将会得到更好的完善，投入到更实际的应用中。

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