無需電池！新型摺紙機器人可通過磁場無線控制

知識 07-21

導讀

最近，來自美國哈佛大學維斯生物啟發工程研究所和約翰·保爾森工程和應用科學學院的科研人員團隊創造出一種無需電池的摺紙機器人，它能夠通過磁場無線地提供能量和進行控制，開展可重複的複雜運動。

關鍵字

機器人、摺紙、供電、醫療

背景

藝術和技術往往會相互影響。例如，人工智慧、多媒體、全息等創新技術都深深影響了藝術創作，同時技術的發展也時常受到傳統藝術的啟發。今天，我們從日本傳統摺紙藝術說起，摺紙藝術是通過特殊的摺疊方式，在一張普通紙張的基礎上進行手工創作，塑造出各式各樣的複雜三維形狀。下面通過幾張圖片向大家展示一下摺紙藝術的美妙：

（圖片來源於：維基百科）

近些年來，摺紙機器人成為了機器人設計的又一新前沿。例如，筆者曾在《微型摺紙機器人：可以被人體消化》一文中介紹過一種可以被人體消化的微型摺紙機器人。

（圖片來源於：Melanie Gonick/MIT）

另外，在《Kamigami - 你自己的手工摺紙蟑螂機器人》一文中，筆者也介紹過一款類似昆蟲的摺紙機器人玩具。

（圖片來源於： Dash機器人）

然而為了獲取能量，這些摺紙機器人普遍需要攜帶電池，或者通過電線連接至電源。有鑒於此，相比於它們的靈感來源：紙張，這些機器人就會顯得笨重，且功能也受到了限制。

創新

最近，來自美國哈佛大學維斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研人員團隊創造出一種無需電池的摺紙機器人，它能夠通過磁場無線地提供能量和進行控制，開展可重複的複雜運動。

（圖片來源：哈佛大學維斯研究所）

文章的合著者、維斯研究所和SEAS的博士後研究員、韓國亞洲大學的助理教授 Mustafa Boyvat 稱：

「與摺紙類似，我們設計重點之一就是簡單性。該系統僅需要機器人上的基本的、無源電子元件來提供電流。機器人本身的結構負責其他功能。」

技術

研究團隊設計的機器人是又平又薄（像一張紙）的塑料四面體，外部有的三個三角形通過鉸鏈連接到中間的三角形，中間的三角形上有一個小型電路。

（圖片來源：哈佛大學維斯研究所）

附著在鉸鏈上的是由一種稱為「形狀記憶合金」（SMA）的金屬組成的線圈。這種金屬在加熱到一定溫度，能夠在形變後恢復原狀。當機器人的鉸鏈平放時，SMA線圈在「變形」狀態下伸展開來；當電流通過電路時，線圈被加熱，它們回到原始的鬆弛狀態，像微小的肌肉一樣收縮，將機器人外部的三角形向中間摺疊起來。當電流消失後，由於彎曲的鉸鏈具有剛度，SMA線圈又重新伸展開來，這樣機器人外部的三角形向中間摺疊程度會降低。

機器人運動所需要的電能，通過無線的電磁電力傳輸無線提供。這項技術與手機和其他小型電子設備電池充電所用的無線充電座內部的技術相同。自己具有電源的外部線圈產生一個磁場，從而在機器人的電路內產生一個感應電流，加熱SMA線圈並且產生摺疊。為了控制具體哪個線圈收縮，團隊在每個線圈單元內放置了一個諧振器，並且經過調諧後，讓它只對特定的電磁頻率作出反應。

論文的首作者、維斯研究所和SEAS的博士後研究員 Mustafa Boyvat 博士解釋道：

「我們的機器人不僅可以重複地執行摺疊動作，而且我們還可以控制這些動作何時何地發生，從而使得更加複雜的運動變得可能。」

和人體的肌肉一樣，SMA線圈只能收縮和舒張。而機器人身體的結構（摺紙一樣的「關節」），將這些收縮轉化為特定的運動。為了展示這項功能，團隊設計了一個小型機器臂，能夠向左或者向右彎曲，也可以在物體附近打開和閉合一個夾子。

（圖片來源：哈佛大學維斯研究所）

這種機器臂通過特殊的、摺紙一般的形狀構造，當有外力施加的時候，它能夠彎曲。另外，兩個SMA線圈在激活時，會釋放力量，而第三個線圈將夾子打開。通過改變外部線圈產生的磁場頻率，團隊能夠獨立地控制機器人的彎曲和抓握動作。

價值

這種極簡主義的機器人技術會有很多應用。例如，醫生進行手術時，無需在患者喉嚨下放置一個讓人感到不適的內窺鏡。患者可以吞下一個微型機器人，它可以四處運動且執行簡單任務，例如檢查人體組織或者拍照，且這個機器人可以通過人體外部的線圈供電。使用更大一點的源線圈（直徑大約為幾碼），就能夠實現整個家居中多個「智能」物體的無線、無需電池的通信。