自動(dòng)折疊式Rollbot為完全不受束縛的軟機(jī)器人鋪平了道路

如今，大多數(shù)軟機(jī)器人依靠外部電源和控制，使它們與車外系統(tǒng)連接或用硬件組裝?，F(xiàn)在，來自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和加州理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了靈感來自折紙的軟機(jī)器人系統(tǒng)，可以根據(jù)外部刺激移動(dòng)和改變形狀，為完全不受束縛的軟件鋪平道路機(jī)器人。

“將活性材料整合到3D打印物體中的能力使得能夠設(shè)計(jì)和制造全新類型的軟機(jī)器人物質(zhì)，”SEAS生物啟發(fā)工程的Hansjorg Wyss教授，共同主要作者Jennifer A. Lewis說。這項(xiàng)研究。

研究人員轉(zhuǎn)而使用折紙來制作多功能軟機(jī)器人。通過連續(xù)折疊，折紙可以在單個(gè)結(jié)構(gòu)中編碼多種形狀和功能。研究團(tuán)隊(duì)使用被稱為液晶彈性體的材料，在暴露于高溫時(shí)會(huì)改變形狀，研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以三維打印兩種類型的軟鉸鏈，這些鉸鏈可以在不同的溫度下折疊，因此可以按照特定的順序進(jìn)行編程。

“通過我們的3D打印主動(dòng)鉸鏈方法，我們可以在溫度響應(yīng)，鉸鏈可以施加的扭矩量，??彎曲角度和折疊方向上實(shí)現(xiàn)完全可編程性。我們的制造方法有助于將這些有源元件與其他材料集成，” Arda Kotikian是SEAS和文理學(xué)研究生院的研究生，也是該論文的共同第一作者。

自推式Rollbot以平板開始，大約8厘米長，4厘米寬，當(dāng)放置在熱表面上時(shí)卷曲成五角形輪。嵌入在車輪五個(gè)側(cè)面中的每個(gè)側(cè)面上的鉸鏈在與表面接觸時(shí)折疊，推動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向下一側(cè)。當(dāng)鉸鏈從熱表面滾落時(shí)，它們展開并準(zhǔn)備好進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

“使用鉸鏈可以更容易地編程機(jī)器人功能并控制機(jī)器人如何改變形狀。而不是讓軟機(jī)器人的整個(gè)身體以難以預(yù)測的方式變形，你只需要編程一些小的區(qū)域你的結(jié)構(gòu)將對溫度的變化做出反應(yīng)，“加州理工學(xué)院的研究生，該論文的共同第一作者Connor McMahan說。

為了演示這種方法，Kotikian，McMahan和團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了幾個(gè)軟設(shè)備，包括一個(gè)綽號為“Rollbot”的無繩軟機(jī)器人。Rollbot以平板開始，長約8厘米，寬約4厘米。當(dāng)放置在約200°C 的熱表面上時(shí)，一組鉸鏈折疊并且機(jī)器人卷曲成五角形輪。

另一組鉸鏈嵌在車輪的五個(gè)側(cè)面中的每一個(gè)上。鉸鏈在與熱表面接觸時(shí)折疊，推動(dòng)輪轉(zhuǎn)向下一個(gè)鉸鏈折疊的下一側(cè)。當(dāng)它們從熱表面滾落時(shí)，鉸鏈展開并準(zhǔn)備好進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

該設(shè)備演示了順序折疊。它可以在加熱時(shí)折疊成類似于回形針的緊湊折疊形狀，并在冷卻時(shí)展開。圖片來源：Lori Sanders / Harvard SEAS

“許多現(xiàn)有的軟機(jī)器人需要系繩連接到外部動(dòng)力和控制系統(tǒng)，或者受到它們施加的力量的限制。這些主動(dòng)鉸鏈非常有用，因?yàn)樗鼈冊试S軟機(jī)器人在系繩不實(shí)用的環(huán)境中操作并且可以多次抬起物體比鉸鏈重，“麥克馬漢說。

當(dāng)放置在熱環(huán)境中時(shí)，另一種裝置可折疊成類似于回形針的緊湊折疊形狀，并在冷卻時(shí)展開。

當(dāng)頂部鉸鏈致動(dòng)溫度從環(huán)境溫度升高到100°C時(shí)，該設(shè)備演示順序折疊，在底部鉸鏈致動(dòng)的情況下達(dá)到150°C。圖片來源：Lori Sanders / Harvard SEAS

“這些不受束縛的結(jié)構(gòu)可以被動(dòng)控制，”Kotikian說。“換句話說，我們需要做的就是將結(jié)構(gòu)暴露在特定的溫度環(huán)境中，它們將根據(jù)我們對鉸鏈進(jìn)行編程的方式做出響應(yīng)。”

雖然這項(xiàng)研究只關(guān)注溫度響應(yīng)，但液晶彈性體也可以編程，以響應(yīng)光，pH，濕度和其他外部刺激。

“這項(xiàng)工作展示了建筑復(fù)合材料中響應(yīng)聚合物的組合如何能夠?qū)е虏牧显诓煌拇碳は伦詣?dòng)啟動(dòng)。將來，這些材料可以編程執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，模糊材料和機(jī)器人，“加州理工學(xué)院機(jī)械工程和應(yīng)用物理學(xué)教授，該研究的共同主要作者Chiara Daraio說。