西湖大学新研究成果，一种像折纸般伸缩的模块化机器人

2023-08-15 18:26

近日，西湖大学和浙江大学的研究团队公布了一种新型的模块化机器人，它的灵感来自折纸艺术，特别是一种叫做克雷斯林（Kresling）图案的折叠方式，他们在《自然通讯》杂志上发表了该研究论文，介绍了这个基于全新的通用可变形模块重新排列来创造不同的形状和构造的设计。

物体可以通过弯曲、扭曲和收缩伸展等方式变形，就像折纸一样，这种方法还可以将这些变形方式进行组合和微妙的控制，从而实现不同的运动，模块化机器人的设计思路正是受此启发，它是一种可以改变自己身体构造以适应不同运动方式或在不同地方移动的机器人系统，对于在各种环境下完成任务非常有用。

姜汉卿教授是该研究团队的主要成员之一，据西湖大学官网介绍，姜汉卿教授2001年博士毕业于清华大学力学系，2006年加入美国亚利桑那州立大学，2016年获得正教授职位，主要从事柔性电子与软/硬异质性材料研究。

2021年6月，来自亚利桑那州立大学的姜汉卿教授及其团队正式加盟西湖大学工学院。在加入西湖大学前不久，姜汉卿刚刚获得美国机械工程师协会颁发的伍斯特·里德·华纳奖章，得奖理由是“将硬薄膜与软基底结合，探索了该结构在大变形时的后屈曲特性，并将其应用在很多领域”。

姜汉卿曾经的导师是清华力学泰斗黄克智院士，原本的研究方向为固体力学的他在后来跨界研究材料学，进而提出了柔性电子技术理论，并成功制造了可折叠锂离子电池和太阳能电池，在可折叠电子领域有多年的深度研究经历。

姜汉卿表示，在他们团队之前就已经有人试图用克雷斯林模式来制造多模式机械臂，但都只是基于克雷斯林模式本身，所以变形受到了限制，无法灵活地扭曲和收缩。而他们的主要目标是修改传统的克雷斯林模式，创造出新的变形方式。

克雷斯林图案是由一系列沿着相反扭曲方向的角度相交的山形和谷形折叠构成，这种图案可以用来创造出类似于自然界中看到的复杂形状，比如蛾翅膀上的花纹或者松果上的螺旋形状。

姜汉卿教授研究团队通过模型侧面单独的气动驱动袋，打破克雷斯林折纸图案的能量有利变形模式，即耦合扭曲和收缩，从而添加了弯曲模式，成为了一个通用模块。该模块可以实现弯曲、扭转、收缩/伸展等三种解耦的基本运动类型，以及这三种基本类型的四种组合，总共七种不同的运动模式。

姜汉卿教授介绍该项目时说：“我们的双层模块是一个通用的可变形单元，可以通过不同的压力方案实现所有可能的变形方式。这个模块就像机器人的手臂，可以执行各种变形方式，比如收缩、伸展、扭转、弯曲，具体取决于控制肌肉的方式。压力方案就像神经，而通用模块则充当手臂。这种基于折纸原理的机械臂就像是一个有六个自由度的坚硬的机械臂。”

这些基于克雷斯林折纸的通用模块的现成组装，即使在操作过程中，也能够实现这些折纸图案的即插即用特性，从而极大地实现气动驱动机器人的功能。未来，这项工作可以为更加复杂的软体机器人铺平道路，这些机器人能够更敏感地对周围环境做出反应。

据姜汉卿教授透露，下一步的研发方向将着力于在抓取较大物体等实用项目中应用该模块打造的机械结构。