瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務

瓢蟲翅膀通過精妙的節肢彈性蛋白和翅脈佈置使柔軟的薄膜翅膀同時具有能量存儲和自鎖的功能。前者使翅膀可以在100毫秒內迅速展開,後者可以讓翅膀在飛行過程中承受巨大的氣動力。在不使用時,這種薄膜翅膀還可以緊密折疊回收至甲殼之下。

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務

PNAS, 2017, 114(22).

相比於令人驚嘆的自然構造,傳統的機械結構至今仍無法有機地結合上述特性。可收縮管狀外伸構件(Storable tubular extendible member, STEM)盡管具有良好的能量存儲和自鎖特性,然而卻較難平整地折疊儲存;折紙結構(origami)盡管提供瞭緊湊且輕巧的結構設計,然而缺乏能量存儲和自鎖能力。加裝額外的輔助性構件雖然可以解決這一問題,但是需要犧牲origami的緊湊性。

造成origami上述問題的根源就在於傳統的origami結構設計中將結構基元視為高硬度材料,它們通過低硬度的柔軟關節連接在一起從而實現折疊。然而柔軟關節和高硬度基元在折疊和伸展均不具備儲能和自鎖的特性。

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務
選作亮點論文在Science官網滾動報道

近日,韓國首爾國立大學(Seoul National University,SNU)的Kyu-Jin Cho教授研究團隊受瓢蟲翅膀啟發,設計瞭一種以聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)彎曲薄片為結構基元,抗撕裂面料為柔性連接的柔性origami結構。彎曲的PET基元同時提供瞭儲能和自鎖性能,並且被折疊平整的PET基元可在116毫秒內完全展開,展開後的origami結構可承受150倍於自身重量的荷載。這一設計策略有效解決瞭origami結構不儲能、不自鎖的固有問題,為可伸縮滑翔翼和origami彈跳機器人等應用提供瞭更廣闊的設計空間。該工作以“Ladybird beetle-inspired compliant origami”為題發表在Science Robotics上。韓國首爾國立大學的Kyu-Jin Cho教授為唯一通訊作者。

來看下這個瓢蟲機器人有多酷:

瓢蟲機器人被人從高空釋放,自行展開翅膀,飛行,落地後自行折疊翅膀,爬行

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務

遇到跳臺,打開翅膀飛行

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務

瓢蟲啟發的柔性origami結構

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務
圖 1 瓢蟲啟發的origami的結構、原理和制備流程

瓢蟲啟發的柔性origami結構及其靈感來源如圖1所示,其具體的制備流程如下:

1)通過激光切割在兩片PET薄片上切割定位針孔,並在塗有熱敏膠的一邊切割出折疊線;

2)在抗撕裂面料上用激光切割出定位針孔;

3)疊放PET薄片和抗撕裂面料;

4)將疊放好的origami結構放入模具中;

5)加熱加壓模具至110 oC,1 MPa並保持5分鐘;

6)冷卻至室溫並取出;

7)裁剪結構輪廓。所得柔性origami結構有正向和反向折疊兩種模式,其折疊力矩的峰值具有非對稱性,兩個峰值之間即為柔性origami結構的自鎖區域,其自伸展所需能量來源於折疊過程中柔性基元展平時儲存的彈性勢能。

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務
圖 2 origami結構的設計參數和性能表現

柔性origami結構的設計參數包括薄片寬度(w)、厚度(t)和彎曲半徑(r)。在設計origami結構時,主要關心的性能包括結構質量(mass)、最大形變(strain)、自鎖力矩(locking moment)和能量存儲(energy)。各個設計參數對結構性能的影響如圖2所示。為滿足設計要求,可先優化厚度,再基於質量和最大形變的要求對薄片寬度和彎曲半徑進行調整。

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務
圖 3 基於origami結構設計的可伸縮滑翔翼

通過疊放兩片柔性origami結構,並調整其長度和相對位置,可將origami結構的正向和反向折疊力矩差異擴大至6倍,從而實現正向易折疊,反向承受氣動力的特性。基於上述原理並采用單軸旋轉關節固定柔性origami結構,可以制備可高度折疊(折疊後尺寸僅為原來的1/8)、多運動模式、自伸展、輕量化的滑翔翼。此類滑翔翼不再需要輔助構件幫助伸展或鎖定機翼,因而有效減輕瞭重量和結構復雜度,提高瞭飛行時的能量利用效率和可靠性。

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務
圖 4 基於origami設計的彈跳機器人

傳統的跳蚤機器人的連接關節不具有儲能的特性,因而在彈跳時,彎曲的關節並不能為跳躍提供能量支持。將構成跳蚤機器人的結構單元替換成柔性origami結構後,折疊成薄片的origami結構不僅僅將能量存儲於橡膠繩中,其結構基元也同時儲存瞭能量,因而跳躍高度比傳統的跳蚤機器人高出瞭50%。

瓢蟲機器人登上《Science》頭條!未來可進行搜索偵查等任務

總結

本文提供瞭一種全新的origami結構設計思路,並探討瞭相關的力學原理和應用場景。通過改變柔性origami基元的形狀,可以讓origami結構同時具有儲能和自鎖的特性,進而降低對輔助結構的依賴性。然而本文僅探討瞭一種彎曲結構,其它可能的儲能結構仍有待進一步探索。此外,在應用過程中,如何實現能量的動態存儲和釋放以及結構形態的動態控制仍然是有待解決的問題。

原文鏈接

https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz6262

相关新闻