研究人员通过将折纸与现代材料科学相结合，研发出了一种可在迷宫中灵活弯曲和扭转的软体机器人。该机器人的所有构件都可扭转成扁平状并扩展成圆柱体。（图片来源：Frank Wojciechowski）
传统的软体机器人往往难以操控，因为转向设备会增加机器人的刚性，降低其灵活性。据普林斯顿大学博士后研究员ZHAO Tuo介绍，本研究采用了在机器人主体上直接安装转向装置的新设计，从而解决了这个问题。研究人员将相关论文发表在5月6日的《PNAS》（美国国家科学院院刊）上，其中介绍了他们如何用模块化的圆柱体构件构建软体机器人。这些构件既可以独立运作，也可以组装成更长的单元运作，从而使机器人同时具备移动和转向的能力。这一新系统使这款软体机器人可以向前或向后爬行、拾取货物，或组装成更长的形态。该论文作者表示，“模块化软体机器人的概念能为可生长、可修复、可开发新功能的未来软体机器人提供借鉴。”Zhao表示，该机器人可以在移动过程中进行组装和拆分的能力，使它既可以作为单体机器人运作，又可以成群协同运作。他表示，“它的每个构件都是一个独立的单元，可以相互通信并根据命令进行组装，也可以轻松分离。构件之间通过磁铁连接。”Zhao在普林斯顿大学土木与环境工程系和普林斯顿材料研究所Glaucio Paulino实验室工作。该实验室是Margareta Engman Augustin工程学教授Paulino创建的研究机构，专门负责研究如何将折纸技术应用于各种工程领域（包括医疗器械、航空航天和建筑领域）。Paulino表示，“我们受生物启发，设计了一种即插即用的模块化软体折纸机器人，它由高度可弯曲和适应性的加热器进行电热驱动。这项技术具有广阔的前景，有望应用于能根据需求自发生长、自我修复和自适应的机器人。”在此研究中，研究人员首先用名为Kresling折纸型的圆柱形构件构建了一个机器人。这种结构使机器人的每个构件都可以扭曲成扁平圆盘状并再次扩展成圆柱体结构。正是这些扭曲、扩展运动使该机器人得以爬行和转向。通过折叠圆柱体的一部分，研究人员可以使机器人的一个构件进行横向弯曲。通过连续进行小幅度弯曲，机器人就能在移动过程中改变方向。研发工作的最大挑战在于开发出一种机制，能够对驱动和操纵机器人的弯曲和折叠运动进行控制。北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出了相应的解决方案，他们使用受热时会发生不同程度的收缩和膨胀的两种材料（液晶弹性体和聚酰亚胺），将其沿着Kresling的折痕组合成细条。研究人员还在每个折叠处安装了一个由银纳米线网格制成的薄型可拉伸加热器。电流通过纳米线加热器对控制条进行加热，控制条上的两种材料在受热后发生不同程度的膨胀，使其发生折叠。通过调整电流和控制条中使用的材料，研究人员可以精准控制折叠和弯曲运动，从而驱动机器人移动和转向。首席研究员兼教授ZHU Yong表示，“银纳米线是制造可拉伸半导体的极佳材料，而可拉伸半导体是各种可拉伸电子设备（包括可拉伸加热器）的基础。在这项研究中，我们使用可拉伸加热器作为弯曲和折叠运动的作动机制。![]()
博士后研究员ZHAO Tuo与用于机器人研究的折纸结构（图片来源：Frank Wojciechowski）
Zhu的实验室博士后研究员WU Shuang表示，实验室此前的研究使用可拉伸加热器操控双层结构进行连续弯曲，“而在这项研究中，我们用它来驱动Kresling的部分折叠处。这种驱动方法可广泛应用于具有折痕的折纸结构软体机器人中。”研究人员表示，鉴于当前版本的机器人速度有限，他们正在努力提高后续版本的机动性能。Zhao表示，研究人员计划使用不同形状、构型和稳定性的机器人进行实验，以提高其速度和转向性能。以下是《Tech Briefs》对Zhao的独家专访，为了让表述更加凝练清晰，我们对访谈内容进行了编辑。Tech Briefs：在研发这款软体机器人的过程中，你们面临的最大技术挑战是什么？Zhao：最大的挑战是使其具备多种功能。例如，在机动性能方面，大多数软体机器人只能朝一个方向移动，而我们研发的这款机器人能够进行双向运动。通过编程折叠的顺序，我们可以使机器人朝不同的方向移动。另一个挑战是机动性能的理论设计。我们的目标是令这款机器人可以进行双向运动和转向的同时，还需要具备货物拾取功能。因此，我们需要优化关于模型使用的理论。Zhao：接下来，我们计划研究不同类型的几何结构，以实现更稳定的机动性能。在本论文中，我们提到当前版本的机器人的速度有限，不及普通机器人。因此，我们打算用不同的方法来提升速度。例如，几何学中有一个概念——机械不稳定性（即机械可能突然失稳）。目前我们正在调整机器人的几何结构，以使其具备机械不稳定性。这样，我们或许可以提高它的速度。此外，我们还打算攻克一个难题。目前我们使用开环控制系统来操控机器人运动，但接下来我们希望在机器人中集成感知能力，使其能够主动避开障碍物（如墙壁）。我们计划将以上功能集成至这款机器人上，以提高其机动稳定性。Tech Briefs：我在你们的论文中看到，“研究人员表示，当前版本的机器人速度有限，他们正在努力提高后续版本的机动性能。”请问你们目前的进展如何？能否分享下你们取得了哪些新的进展？Zhao：我们目前还处于理论阶段。例如，我们用仿真工具测试了几何结构的调整效果。仿真结果表明，调整后的运动速度实际上提高了40%左右。目前，我们正在实验室进行实际操作，以验证我们的理论是否具有可行性。Tech Briefs：你们是否制定了进一步的研究计划？Zhao：首先，我们将尝试修改机器人的设计，看看能否提升速度。此外，我们还考虑在这款机器人上安装一些传感器。问题在于必须安装柔性传感器，因为这款软体机器人的机身可能发生大幅度变形，从而导致传感器面板发生局部弯曲。我们计划使用一些柔性印刷电路板（PCB）来集成柔性电子元件，赋予机器人一定的感知能力。Tech Briefs：这款软体机器人可应用于哪些潜在领域？Zhao：我们希望将这款机器人用于执行需要在受限空间内移动的任务，比如地震救援。震后情况可能非常复杂，比如存在损毁建筑、碎石等，这时候普通机器人可能无法展开救援工作，而这种软体机器人就可以发挥重要作用，因为它体型小而且可以在受限空间内（例如石块和坍塌的混凝土之间的空间）移动。此外，我们认为它还可应用于多机器人协作领域。假如我们将多款这样的机器人部署在地震灾区进行幸存者搜救工作，由于它们具备多种功能，或许它们可以在找到幸存者时向其提供一些基本药物和水，以满足其基本需求。如果这些机器人还能具有通信能力的话，那么它们就可以报告幸存者的位置并寻求进一步救援。这就是我们设想的潜在应用之一。![]()
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