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  • 新型软体机器人:模仿蛇的爬行方式,鳞片由剪纸制成

    近日,美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的科研团队开发出一种软体机器人,它无需依赖任何刚性元件,爬行的原理非常像蛇,它的鳞片是采用剪纸术制成。

    背景

    没有四肢,却可以行走?蛇就是这样一种爬行动物。

    图片来源:维基百科)

    身体光滑,布满鳞片。蛇或直线行走,或曲折前进,既可挤进狭窄空间,也可爬树游泳。爬行速度最高可达每小时14英里。

    那么,蛇又是如何做到这一切的呢?

    这一切都离不开它的鳞片。运动时,蛇会利用鳞片来抓紧地面,推动身体前行。这有点像鞋底钉,它可以帮助登山运动员在光滑的冰块上找到立足点。由于蛇鳞的形状和布局,这种摩擦力辅助下的运动才得以实现。

    创新

    近日,美国哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的科研团队开发出一种软体机器人,它无需依赖任何刚性元件,爬行的原理非常像蛇,它的鳞片是采用剪纸艺术制成的。剪纸艺术不同于折纸艺术,改变材料的特性依靠的是剪切,而不是折叠。当机器人伸展时,扁平的剪纸表面会转化为三维织纹表面,像蛇鳞一样抓住地面。

    (图片来源:Ahmad Rafsanjani/Harvard SEAS)

    相关论文发表于《Science Robotics》杂志。

    技术

    研究人员从一张简单的平面塑料纸开始,然后使用激光切割机,嵌入一组厘米级的切痕,并实验不同的形状和尺寸。一旦经过剪切,研究人员将塑料纸包覆住如同管子一样的弹性体致动器,而这种致动器像气球一样,填充空气后会膨胀开来。

    当致动器充气时,剪纸切掉了突出部分,形成一个粗糙表面,抓住地面。当致动器泄气时,切痕折叠成平面,推进机器人前进。

    研究人员通过将便携式的控制、感知、制动和电源模块,包装进微型的尾巴中,构建出这种完全自由行动的机器人。他们在哈佛大学校园中,进行了机器人的爬行测试。

    (图片来源:Ahmad Rafsanjani/Harvard SEAS)

    团队实验了各种形状的切痕,包括:三角形、圆形、梯形。他们发现梯形切痕,最接近蛇鳞的形状,使得机器人的移动幅度达到最大。

    (图片来源:Harvard SEAS)

    SEAS 的博士后研究员、论文的第一作者 Ahmad Rafsanjani 表示:“我们展示了,通过恰当地平衡几何切割形状与致动协议之间的关系,可以利用些剪纸皮肤的运动特性。进一步说,这些组件可进一步优化,从而改善系统响应。”

    价值

    Rafsanjani 表示:“最近这些年,许多研究都是关于如何制造这种可形变、可伸展的结构。我们展示了,剪纸原理可以结合到软体机器人中,使机器人的运动方式更简单、更快速、比最近的技术更便宜。”

    应用力学教授、论文高级作者 Katia Bertoldi 表示:“我们相信,我们发明的基于剪纸的方案,为新型软体爬行器的设计开辟了道路。这些全地形的软体机器人有望穿越最艰难的环境,开展探索、检查、监测和搜救任务,或者进行复杂的腹腔镜医疗手术。”

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