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來源：機(jī)器人大講堂（ID：RoboSpeak）
作者：Riddick
編輯：向?qū)W
【新智元導(dǎo)讀】近日，一款前所未有的極端變形軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)——“雙模”變形折紙結(jié)構(gòu)登上了《Science》大子刊《Science Robotics》封面。它是研究團(tuán)隊(duì)受到“吞鰻”的啟發(fā)，結(jié)合折紙及氣動(dòng)膨脹軟體機(jī)器人而提出的，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)在戳右邊鏈接上新智元小程序 了解更多！
一種叫做“吞鰻”的魚類啟發(fā)了一支由韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)（Seoul National University）、葡萄牙瑞比克夫-尼格勒基金會(huì)（The Rebikoff-Niggeler Foundation）、美國(guó)哈佛大學(xué)（Harvard University）的學(xué)者們組成的研究團(tuán)隊(duì)。他們結(jié)合折紙（origami）以及氣動(dòng)膨脹軟體機(jī)器人提出了一種可以產(chǎn)生前所未有的極端變形軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)——“雙模”變形折紙結(jié)構(gòu)。基于這種結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)制作了一系列的軟體機(jī)器人，例如仿生吞鰻機(jī)器人、仿生觸手、爬行機(jī)器人以及軟體機(jī)械臂，展示了“雙模”變形折紙結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用價(jià)值。
論文地址： https://robotics.sciencemag.org/content/4/36/eaay3493.abstract
受到吞鰻啟發(fā)的“雙模”變形折紙結(jié)構(gòu)
自然界海洋中有一種奇異的魚類叫做“吞鰻”（又名闊嘴鰻、巨口鰻、Pelican eel，學(xué)名Eurypharynx pelecanoides），外觀看來就是一只再普通不過的鰻魚，可以用“平平無奇”來形容， 但是當(dāng)它一張嘴，絕對(duì)能夠讓你驚嘆不已。吞鰻的嘴巴可以擴(kuò)張到吞下大于自己身體數(shù)倍的獵物。極端膨脹后的嘴巴圓圓的像氣球一般，奇異中又帶一點(diǎn)呆萌，這就要?dú)w功于 魚類嘴部特殊的結(jié)構(gòu)。
吞鰻的嘴巴
吞鰻嘴巴的變形動(dòng)態(tài)圖
小編閱讀文章發(fā)現(xiàn)，吞鰻的嘴巴的變形原來是由 兩個(gè)不同的模式來實(shí)現(xiàn)的， 其中包括“基于頭部骨骼的幾何形狀上的展開”和“有彈性的皮膚的拉伸膨脹”。借由這兩種變形模式，吞鰻的嘴巴可以由 非常細(xì)小的狀態(tài)到非常極端的變形狀態(tài)。
研究者們基于這種變形模式提出了一種新的軟體機(jī)器人折紙結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)首先會(huì)基于一個(gè)框架進(jìn)行折紙展開，然后又進(jìn)行拉伸膨脹，從而實(shí)現(xiàn)極端的形變。他們稱這種結(jié)構(gòu)為“雙模”變形折紙結(jié)構(gòu)（Dual-mode morphing origami）。和傳統(tǒng)的折紙結(jié)構(gòu)或者氣動(dòng)軟體機(jī)器人相比，“雙模”結(jié)構(gòu)可以說是集成了兩者的優(yōu)點(diǎn)， 按照特定的折紙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)由極小體積的初始狀態(tài)到極端變形的最終狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
吞鰻嘴巴的變形分析
下面先展示一些論文中的研究團(tuán)隊(duì)制作的軟體機(jī)器人讓大家一飽眼福（文末附有小編剪輯過的視頻合集）：
仿生吞鰻機(jī)器人動(dòng)態(tài)圖
從無到有的隱藏的捕手動(dòng)態(tài)圖
萬能抓手抓取動(dòng)態(tài)圖
下面這幅圖對(duì)比了傳統(tǒng)的“折紙結(jié)構(gòu)”軟體驅(qū)動(dòng)器和“雙模”變形折紙結(jié)構(gòu)軟體驅(qū)動(dòng)器，不難發(fā)現(xiàn)，單單從驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)過的角度來看， 雙模變形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的形變量足足是傳統(tǒng)“折紙結(jié)構(gòu)”軟體驅(qū)動(dòng)器的2.5倍。
傳統(tǒng)折紙結(jié)構(gòu)軟體驅(qū)動(dòng)器和“雙模”變形結(jié)構(gòu)的比較
基于三種折紙結(jié)構(gòu)研發(fā)的“雙模”變形結(jié)構(gòu)
研究者基于三種非常典型的折紙（Origami）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了“雙模”變形結(jié)構(gòu)，分別是：折紙魚的結(jié)構(gòu)（paper origami fish）、三浦折紙結(jié)構(gòu)（Miura origami）以及吉村折紙結(jié)構(gòu)（Yoshimura origami）。
研究者們?cè)谠O(shè)計(jì)“雙模”變形結(jié)構(gòu)時(shí)， 會(huì)設(shè)計(jì)一些特殊的“軟體骨架支撐”，軟體骨架之間用高彈性硅膠薄膜連接（文末視頻里最后有制作過程的展示）。通過這樣的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)有順序的“雙模”變形。 當(dāng)向“雙模”變形結(jié)構(gòu)內(nèi)部充入流體后，隨著壓力的提升，結(jié)構(gòu)會(huì)率先沿著設(shè)計(jì)者想要的折紙展開的方向發(fā)生形變，然后再繼續(xù)增加壓力從而整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸膨脹。
下面跟著小編來看看三種“雙模”變形結(jié)構(gòu)的展示。
首先是基于 折紙魚結(jié)構(gòu)的雙模變形結(jié)構(gòu)，研究者們利用這種結(jié)構(gòu)制作了仿生的吞鰻：
基于折紙魚的“雙模”變形結(jié)構(gòu)
折紙魚結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖
另一種非常有名的折紙結(jié)構(gòu)， 三浦（Miura）折疊，廣泛被應(yīng)用于地圖和人造衛(wèi)星上。 研究者們利用這種結(jié)構(gòu)制作了一個(gè)可以由扁平的折疊結(jié)構(gòu)瞬間膨脹為大體積的彎曲結(jié)構(gòu)。 富有想象力的研究者們做了一個(gè)“沙地”隱形捕手，通過瞬間的變形抓住了一只正在通過的六足機(jī)器人，也正是這一場(chǎng)景被《科學(xué)-機(jī)器人學(xué)》雜志選中，刊出在了封面上。
基于三浦（Miura）型折紙的“雙模”變形結(jié)構(gòu)
三浦（Miura）型折紙結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖
雙模三浦（Miura）型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖展示
隱形抓手抓捕快速移動(dòng)機(jī)器人
最后一個(gè)展示的模型是基于 吉村折紙結(jié)構(gòu)的“雙模”變形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以由一個(gè)扁平的結(jié)構(gòu)拉伸膨脹為一個(gè)圓柱狀/球狀的結(jié)構(gòu)。研究者制作了一個(gè)通用的萬能軟體抓手，并且展示了極其多樣的抓取性能。
基于吉村（Yoshimura）型折紙的“雙模”變形結(jié)構(gòu)
吉村（Yoshimura）型折紙結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖
萬能軟體抓手動(dòng)態(tài)圖
基于雙模吉村（Yoshimura）型結(jié)構(gòu)的萬能抓手
“雙模”變形結(jié)構(gòu)的總結(jié)與應(yīng)用前景
“雙模”變形模型還可以被應(yīng)用于一些其他的場(chǎng)景中，除了之前提到的幾個(gè)典型的例子，研究者還制作了一個(gè)可以 爬行的軟體機(jī)器人和一個(gè)像 大白一樣的可以“抱抱”的軟體機(jī)器人，展示了“雙模”結(jié)構(gòu)的一些其他的可能應(yīng)用。
爬行軟體機(jī)器人動(dòng)態(tài)圖
大白“擁抱”機(jī)器人動(dòng)態(tài)圖
“雙模”變形結(jié)構(gòu)通過應(yīng)用現(xiàn)存的兩種變形機(jī)制，即展開和拉伸，實(shí)現(xiàn)了由小體積到極端體積的形變，這篇論文 向我們證明了這種結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的自適應(yīng)性，極大的體積變化率，以及比較快的響應(yīng)速度。
研究者在論文中指出，除了在文中提到的三種折紙模式， 他們的設(shè)計(jì)原理可能適用于更多的折紙結(jié)構(gòu)，例如Kresling折紙（一種圓柱形到扁平型的折紙結(jié)構(gòu)）或者有扭曲和徑向運(yùn)動(dòng)的折紙魔術(shù)球結(jié)構(gòu)。“雙模”變形結(jié)構(gòu)為材料架構(gòu)，形狀變形系統(tǒng)的研究中提供了一個(gè)新的平臺(tái)，并且為研究制造仿生的變形機(jī)構(gòu)、便攜式軟體機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，以及活性超材料提供了平臺(tái)。
文末的視頻：
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參考資料：
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).
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