新型軟體機器人：模仿蛇的爬行原理，鱗片由剪紙製成

導讀

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研團隊開發出一種軟體機器人，它無需依賴任何剛性元件，爬行的原理非常像蛇，它的鱗片是採用剪紙藝術製成。

背景

沒有四肢，卻可以行走？蛇就是這樣一種爬行動物。

（圖片來源：維基百科）

身體光滑，布滿鱗片。蛇或直線行走，或曲折前進，既可擠進狹窄空間，也可爬樹游泳。爬行速度最高可達每小時14英里。

那麼，蛇又是如何做到這一切的呢？

這一切都離不開它的鱗片。運動時，蛇會利用鱗片來抓緊地面，推動身體前行。這有點像鞋底釘，它可以幫助登山運動員在光滑的冰塊上找到立足點。由於蛇鱗的形狀和布局，這種摩擦力輔助下的運動才得以實現。

創新

近日，美國哈佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的科研團隊開發出一種軟體機器人，它無需依賴任何剛性元件，爬行的原理非常像蛇，它的鱗片是採用剪紙藝術製成的。剪紙藝術不同於摺紙藝術，改變材料的特性依靠的是剪切，而不是摺疊。當機器人伸展時，扁平的剪紙表面會轉化為三維織紋表面，像蛇鱗一樣抓住地面。

(圖片來源：Ahmad Rafsanjani/Harvard SEAS)

相關論文發表於《Science Robotics》雜誌。

技術

研究人員從一張簡單的平麵塑料紙開始，然後使用激光切割機，嵌入一組厘米級的切痕，並實驗不同的形狀和尺寸。一旦經過剪切，研究人員將塑料紙包覆住如同管子一樣的彈性體致動器，而這種致動器像氣球一樣，填充空氣後會膨脹開來。

當致動器充氣時，剪紙切掉了突出部分，形成一個粗糙表面，抓住地面。當致動器泄氣時，切痕摺疊成平面，推進機器人前進。

研究人員通過將攜帶型的控制、感知、制動和電源模塊，包裝進微型的尾巴中，構建出這種完全自由行動的機器人。他們在哈佛大學校園中，進行了機器人的爬行測試。

(圖片來源：Ahmad Rafsanjani/Harvard SEAS)

團隊實驗了各種形狀的切痕，包括：三角形、圓形、梯形。他們發現梯形切痕，最接近蛇鱗的形狀，使得機器人的移動幅度達到最大。

(圖片來源：Harvard SEAS)

SEAS 的博士後研究員、論文的第一作者 Ahmad
Rafsanjani 表示：「我們展示了，通過恰當地平衡幾何切割形狀與致動協議之間的關係，可以利用些剪紙皮膚的運動特性。進一步說，這些組件可進一步優化，從而改善系統響應。」

價值

Rafsanjani 表示：「最近這些年，許多研究都是關於如何製造這種可形變、可伸展的結構。我們展示了，剪紙原理可以結合到軟體機器人中，使機器人的運動方式更簡單、更快速、比最近的技術更便宜。」

應用力學教授、論文高級作者 Katia Bertoldi 表示：「我們相信，我們發明的基於剪紙的方案，為新型軟體爬行器的設計開闢了道路。這些全地形的軟體機器人有望穿越最艱難的環境，開展探索、檢查、監測和搜救任務，或者進行複雜的腹腔鏡醫療手術。」

關鍵字

機器人、剪紙、蛇

參考資料

【1】https://www.seas.harvard.edu/news/2018/02/snake-inspired-robot-uses-kirigami-to-move

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