不再是钢铁之躯,机器人也可以是千纸鹤一样大小

原标题:不再是钢铁之躯,机器人也可以是千纸鹤一样大小

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科幻小说变为现实的速度越来越快,然而工程师的设计依然受到工艺的限制。目前3D打印的技术虽然足以打印复杂的机器人部件,还不具备保证大量生产的质量稳定性。

从传统的折纸工艺中得到启发,即使轻薄如纸,通过剪切和折叠,2D的纸质就能够轻易变成3D的造型。同时,因为3D结构之间相互的受力作用,这一形状可以固定不变。类似的,将平面的刚性材料通过激光切割,再按照规定纹理折叠,就像小时候折纸一样,可以形成三维造型的折纸机器人。未来,如果需要大规模生产这种机器人,只需要根据模板纹理大量制版即可。

从这个理论到实践,需要解决的挑战主要在于材料:材料本身需要足够硬质,最终固定住所需要的折叠程度,支撑任务所需要的物理互动;有需要有一定的可折叠延展性能,能够从二维弯曲变为三维;如果需要多次在原始平面和立体折叠结构中变换,最好还能够有记忆性质。一般来说,高分子聚乙烯塑料可以作为这种机器人的主体。

2015年,MIT发布Untethered Miniature Origami Robot。折叠前的机器人可以看作是一张夹芯板,外层是聚苯乙烯,中间层则是聚氯乙烯,也就是常说的塑料。通过激光将外层片材的相对侧的狭缝切割成不同宽度,当中间层聚氯乙烯加热收缩时,会迫使外层狭缝较窄的边缘靠在一起,片材也会朝相反的方向弯曲。启动后受热折叠,折叠后大小大约1.7cm,可以完成行走、游泳、推动小障碍物等动作。

机器人的驱动力来自一个电磁线圈动力系统。磁场以15Hz的固定频率开关,使得机器人前后摇摆,这样就能前后腿摇摆前进。

除了动力马达之外,其他的部件材料都是可以降解的。这也提供了未来的更多畅想。例如,可以通过微型机器人进入人体送药,完成任务后在体内降解。

同一时段,哈佛大学也开发出类似的机器人,可以在四分钟之内,从蝴蝶型的纸板变成机器人的形状,可以在不借助人力的情况下,自行前进和转弯。因为纸板情况下,机器人可以通过狭小的区域,用于灾后抢救和运送物资。

最新的NASA新型空间探测机器人,轮子仿照河豚的身体构造3D打印,可以像折纸一样折叠以及压缩自身的大小,通过蓝牙远程操控,可以在不同的地面、斜坡以及障碍物上通过和翻越。

在这一阶段的软性机器人研发中,主要考虑的是基本的固态机器人形态,不过在实际的复杂操作中,同时需要机器人关节的动态形态变化,达到更复杂的机械功能。

宾夕法尼亚的Cynthia Sung教授致力于设计可运动的软性材料关节。

基本的几个形态中,图左的关节可以在一定角度中摆动,中间的关节,可以在二维角度伸展和摇摆,图右的关节,可以通过旋转折叠伸长和缩短。未来,Sung教授和她的团队会通过算法的帮助更快速地设计可运动的关节。

清华大学化学系目前正在开发一种高分子材料,从百叶窗的折叠方式中得到启发,研发出通过光照改变延展程度的材料,进而改变机器人手臂的臂展长度。

最近,波兰华沙大学的科学家研制出一种15mm的微型机器人。这一机器人的特殊之处同样在于:在光源的照射下的形态改变,同时可以用光照推动机器人的运动。机器人由液晶弹性体(LCEs)制成,LCEs暴露在可见光下时会发生形状的改变。如果感受到外界的光源,机器人的形状就会发生改变,变成履带一样,有了光的照射其身体也会相应的收缩进而推动身体进行移动。

通过对光源的控制,该机器人能完成各种特殊的任务,例如爬陡坡、钻进极其狭小的空间,可以移动比它个头大10倍的物体。

软体机器人在安全和功能性方面都有刚性机器人所不具有的优势,这一领域也慢慢成为机器人领域的主要研究和发展方向。

目前在材料和精确控制方面,软性机器人还需要更精确的自主计算和执行发展。可能有一天,孩子们在手头折完一只千纸鹤,就能制造出一只机器人。

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