研究人員從瓢蟲翅膀得到靈感，設(shè)計出一款柔性可折疊機(jī)器人

智東西1月12日消息，近日，韓國首爾大學(xué)的研究人員從瓢蟲翅膀得到靈感，設(shè)計出一款柔性可折疊機(jī)器人。

折疊可以使機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、重量變輕，許多研究者都曾做過類似研究。在減震機(jī)構(gòu)、機(jī)車機(jī)械手等結(jié)構(gòu)中，可折疊設(shè)計也十分常見。但是，傳統(tǒng)設(shè)計中，可折疊機(jī)械結(jié)構(gòu)的每個表面都是不可變形的剛性面，難以儲存能量和實現(xiàn)穩(wěn)健的自鎖。

首爾大學(xué)的研究克服了這一局限性。

這項研究已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)（Science Robotics）》期刊上，論文題目為《從瓢蟲得到啟發(fā)的柔性折疊（Ladybird beetle–inspired compliant origami）》

一、瓢蟲翅膀：利用翼脈實現(xiàn)彈性儲能和自鎖

對于飛行動物來說，翅膀十分重要。在發(fā)生極端環(huán)境變化時或捕食者逼近時，它們需要快速展開翅膀逃離危險。

在這一過程中，翅膀快速展開的能力和承載能力缺一不可。翅膀的快速展開能力可以保證動物迅速動作；承載能力則可以保證飛行的穩(wěn)定性，防止翅膀受空氣動力影響而失效。

鳥類利用翅膀上的肌肉和骨骼來保證快速展開能力和承載能力。但是，瓢蟲的翅膀卻十分奇特。

瓢蟲的翅膀是沒有骨頭和肌肉的膜狀翅膀，卻可以在100毫秒內(nèi)快速展開，還能在高頻扇動時維持有效的空氣動力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這是因為瓢蟲翅膀上特殊的翼脈。瓢蟲的翅膀上有帶式彈簧（tapespring）形狀的翼脈，翼脈的橫截面曲率和柔性使其翅膀既能彈性儲能，也具有自鎖能力。

在翅膀處于折疊狀態(tài)時，橫截面曲率使翼脈產(chǎn)生了較高的初始剛度，也保證了翅膀的自鎖。同時，在翅膀折疊過程中，大量的能量被儲存在翼脈中。

這一點給了研究人員啟發(fā)：可以利用柔性材料實現(xiàn)機(jī)械的儲能、自鎖功能。

二、可折疊結(jié)構(gòu)：116ms內(nèi)快速展開，可承重自身的150倍

借鑒瓢蟲翅膀翼脈的折疊方式，研究人員設(shè)計出了一個柔性可折疊機(jī)構(gòu)。

首先，研究人員改變了以往可折疊結(jié)構(gòu)每個面都是剛性面的特點，選用了兩種不同材料進(jìn)行制作。

在折疊和展開時，材料彎曲部分的應(yīng)變更大。因此，材料彎曲部分采用了防撕裂織物材料，材料平面部分采用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料制作。防撕裂織物材料的柔性比PET材料大100倍，具備與瓢蟲翅膀翼脈相似的橫截面曲率。

▲可折疊結(jié)構(gòu)材料示意

為了生產(chǎn)出曲面，研究人員在熱層壓步驟中使用了預(yù)先設(shè)計好的模具。

▲熱層壓步驟

在柔性折疊的過程中，靠近折疊線的彎曲面逐漸變平，彈性勢能儲存在變形的面上。儲存的彈性勢能使機(jī)翼能夠在116毫秒內(nèi)快速展開。

▲彈性勢能轉(zhuǎn)化過程

另外，機(jī)翼面的彎曲形狀賦予了柔性折疊結(jié)構(gòu)自鎖能力。設(shè)計出的柔性折疊結(jié)構(gòu)可以承重其自身重量的150倍（約為210g，45mm力臂）。

為了進(jìn)一步驗證該柔性可折疊機(jī)構(gòu)的性能，研究人員測量了折疊角度，繪制出折疊力矩圖，又根據(jù)力矩圖繪制了儲存的能量圖。

▲左：折疊力矩；右：儲存的勢能

圖像顯示，折疊力矩具有各向異性力矩投影，兩個峰值折疊力矩呈現(xiàn)自鎖。柔性折疊機(jī)構(gòu)在不同的折疊角度下儲存不同的能量。

三、成功應(yīng)用于滑翔機(jī)

研究人員將柔性折疊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于一個滑翔機(jī)器人，并進(jìn)行了試飛。

視頻第57秒可以看到，研究人員從3樓釋放機(jī)器人，機(jī)器人快速展開機(jī)翼，經(jīng)過滑翔后平穩(wěn)落地。

視頻第1分45秒開始的拍打飛行實驗中，研究人員從一個平臺上釋放機(jī)器人，機(jī)器人快速拍打機(jī)翼，維持了較好的空氣動力，成功飛到對面平臺上。

研究人員還在有風(fēng)條件下做了實驗。視頻第1分54秒可以看到，機(jī)器人能保持較穩(wěn)定的滑翔狀態(tài)，這說明機(jī)翼具有較好的承載能力。

實驗證明，將柔性可折疊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于滑翔機(jī)能實現(xiàn)較理想的滑翔性能。

結(jié)語：柔性可折疊機(jī)器人研究新方向

韓國首爾大學(xué)研究人員借鑒了瓢蟲翅膀的折疊方式，研究出一款可快速展開、具備自鎖功能、能儲存大量彈性勢能的柔性可折疊機(jī)構(gòu)，并成功將其應(yīng)用于一個滑翔機(jī)器人，為之后的柔性可折疊機(jī)器人研究指明了新方向。

論文中還指出，目前這種新型柔性可折疊機(jī)器人受到材料的限制，研究人員將在未來進(jìn)行更深入研究。

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