登上Science 子刊封面！受怪鱼嘴巴结构启发的“双模”变形折纸软体机器人

原创 Riddick 机器人大讲堂

导读

近日，一款新型的软体机器人结构再一次登上了《科学》（Science）杂志的大子刊《科学-机器人学》（Science Robotics）的封面。一支由韩国首尔国立大学（Seoul National University），葡萄牙的瑞比克夫-尼格勒基金会（The Rebikoff-NiggelerFoundation），以及美国的哈弗大学（Harvard University）的学者们组成的研究团队受到一种叫做“吞鰻”的鱼类的启发，结合折纸（origami）以及气动膨胀软体机器人提出了一种可以产生前所未有的极端变形软体机器人结构，他们称之为“双模”变形折纸结构。基于这种结构，研究团队制作了一系列的软体机器人，例如仿生吞鰻机器人，仿生触手，爬行机器人以及软体机械臂，展示了“双模”变形折纸结构潜在的应用价值。

作者：Riddick

登上《科学-机器人学》杂志封面的新型软体机器人技术

受到吞鰻启发的“双模”变形折纸结构

自然界海洋中有一种奇异的鱼类叫做“吞鰻”（又名阔嘴鳗，巨口鳗，Pelican eel，学名Eurypharynx pelecanoides），外观看来就是一只再普通不过的鳗鱼，可以用“平平无奇”来形容，但是当它一张嘴，绝对能够让你惊叹不已。吞鰻的嘴巴可以扩张到吞下大于自己身体数倍的猎物。极端膨胀后的嘴巴圆圆的像气球一般，奇异中又带一点呆萌，这就要归功于鱼类嘴部特殊的结构。

吞鰻的嘴巴

吞鰻嘴巴的变形动态图

小编阅读文章发现，吞鰻的嘴巴的变形原来是由两个不同的模式来实现的，其中包括“基于头部骨骼的几何形状上的展开”和“有弹性的皮肤的拉伸膨胀”。借由这两种变形模式，吞鰻的嘴巴可以由非常细小的状态到非常极端的变形状态。

研究者们基于这种变形模式提出了一种新的软体机器人折纸结构，这种结构首先会基于一个框架进行折纸展开，然后又进行拉伸膨胀，从而实现极端的形变。他们称这种结构为“双模”变形折纸结构（Dual-mode morphing origami）。和传统的折纸结构或者气动软体机器人相比，“双模”结构可以说是集成了两者的优点，按照特定的折纸结构实现由极小体积的初始状态到极端变形的最终状态的转变。

吞鰻嘴巴的变形分析

下面先展示一些论文中的研究团队制作的软体机器人让大家一饱眼福（文末附有小编剪辑过的视频合集）：

仿生吞鰻机器人动态图

从无到有的隐藏的捕手动态图

万能抓手抓取动态图

下面这幅图对比了传统的“折纸结构”软体驱动器和“双模”变形折纸结构软体驱动器，不难发现，单单从驱动器转过的角度来看，双模变形结构产生的形变量足足是传统“折纸结构”软体驱动器的2.5倍。

传统折纸结构软体驱动器和“双模”变形结构的比较

基于三种折纸结构研发的“双模”变形结构

研究者基于三种非常典型的折纸(Origami)结构设计了“双模”变形结构，分别是：折纸鱼的结构（paper origami fish），三浦折纸结构（Miura origami）以及吉村折纸结构（Yoshimura origami）。

研究者们在设计“双模”变形结构时，会设计一些特殊的“软体骨架支撑”，软体骨架之间用高弹性硅胶薄膜连接（文末视频里最后有制作过程的展示）。通过这样的设计来实现有顺序的“双模”变形。当向“双模”变形结构内部充入流体后，随着压力的提升，结构会率先沿着设计者想要的折纸展开的方向发生形变，然后再继续增加压力从而整个结构产生拉伸膨胀。

下面跟着小编来看看三种“双模”变形结构的展示。

首先是基于折纸鱼结构的双模变形结构，研究者们利用这种结构制作了仿生的吞鰻：

基于折纸鱼的“双模”变形结构

折纸鱼结构动态图

另一种非常有名的折纸结构，三浦（Miura）折叠，广泛被应用于地图和人造卫星上。研究者们利用这种结构制作了一个可以由扁平的折叠结构瞬间膨胀为大体积的弯曲结构。富有想象力的研究者们做了一个“沙地”隐形捕手，通过瞬间的变形抓住了一只正在通过的六足机器人，也正是这一场景被《科学-机器人学》杂志选中，刊出在了封面上。

基于三浦(Miura)型折纸的“双模”变形结构

三浦(Miura)型折纸结构动态图

双模三浦(Miura)型结构动态图展示

隐形抓手抓捕快速移动机器人

最后一个展示的模型是基于吉村折纸结构的“双模”变形结构。该结构可以由一个扁平的结构拉伸膨胀为一个圆柱状/球状的结构。研究者制作了一个通用的万能软体抓手，并且展示了极其多样的抓取性能。

基于吉村(Yoshimura)型折纸的“双模”变形结构

吉村Yoshimura型折纸结构动态图

万能软体抓手动态图

基于双模吉村Yoshimura型结构的万能抓手

“双模”变形结构的总结与应用前景

“双模”变形模型还可以被应用于一些其他的场景中，除了之前提到的几个典型的例子，研究者还制作了一个可以爬行的软体机器人和一个像大白一样的可以“抱抱”的软体机器人，展示了“双模”结构的一些其他的可能应用。

爬行软体机器人动态图

大白“拥抱”机器人动态图

“双模”变形结构通过应用现存的两种变形机制，即展开和拉伸，实现了由小体积到极端体积的形变，这篇论文向我们证明了这种结构具有极强的自适应性，极大的体积变化率，以及比较快的响应速度。

研究者在论文中指出，除了在文中提到的三种折纸模式，他们的设计原理可能适用于更多的折纸结构，例如Kresling折纸（一种圆柱形到扁平型的折纸结构）或者有扭曲和径向运动的折纸魔术球结构。“双模”变形结构为材料架构，形状变形系统的研究中提供了一个新的平台，并且为研究制造仿生的变形机构，便携式软体机器人，生物医学设备，以及活性超材料提供了平台。

文末的视频：

全部视频以原始视频的2倍速播放

参考文献：

Kim, Woongbae, JunghwanByun, Jae-Kyeong Kim, Woo-Young Choi, Kirsten Jakobsen, Joachim Jakobsen,Dae-Young Lee, and Kyu-Jin Cho. "Bioinspired dual-morphing stretchableorigami." Science Robotics 4, no. 36 (2019).