近日，美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種軟體機(jī)器人，它無(wú)需依賴任何剛性元件，爬行的原理非常像蛇，它的鱗片是采用剪紙術(shù)制成。

背景

沒(méi)有四肢，卻可以行走？蛇就是這樣一種爬行動(dòng)物。

（圖片來(lái)源：維基百科）

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

那么，蛇又是如何做到這一切的呢？

這一切都離不開(kāi)它的鱗片。運(yùn)動(dòng)時(shí)，蛇會(huì)利用鱗片來(lái)抓緊地面，推動(dòng)身體前行。這有點(diǎn)像鞋底釘，它可以幫助登山運(yùn)動(dòng)員在光滑的冰塊上找到立足點(diǎn)。由于蛇鱗的形狀和布局，這種摩擦力輔助下的運(yùn)動(dòng)才得以實(shí)現(xiàn)。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種軟體機(jī)器人，它無(wú)需依賴任何剛性元件，爬行的原理非常像蛇，它的鱗片是采用剪紙藝術(shù)制成的。剪紙藝術(shù)不同于折紙藝術(shù)，改變材料的特性依靠的是剪切，而不是折疊。當(dāng)機(jī)器人伸展時(shí)，扁平的剪紙表面會(huì)轉(zhuǎn)化為三維織紋表面，像蛇鱗一樣抓住地面。

(圖片來(lái)源：Ahmad Rafsanjani/Harvard SEAS)

相關(guān)論文發(fā)表于《Science Robotics》雜志。

技術(shù)

研究人員從一張簡(jiǎn)單的平面塑料紙開(kāi)始，然后使用激光切割機(jī)，嵌入一組厘米級(jí)的切痕，并實(shí)驗(yàn)不同的形狀和尺寸。一旦經(jīng)過(guò)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(dòng)器，而這種致動(dòng)器像氣球一樣，填充空氣后會(huì)膨脹開(kāi)來(lái)。

當(dāng)致動(dòng)器充氣時(shí)，剪紙切掉了突出部分，形成一個(gè)粗糙表面，抓住地面。當(dāng)致動(dòng)器泄氣時(shí)，切痕折疊成平面，推進(jìn)機(jī)器人前進(jìn)。

研究人員通過(guò)將便攜式的控制、感知、制動(dòng)和電源模塊，包裝進(jìn)微型的尾巴中，構(gòu)建出這種完全自由行動(dòng)的機(jī)器人。他們?cè)诠鸫髮W(xué)校園中，進(jìn)行了機(jī)器人的爬行測(cè)試。

(圖片來(lái)源：Ahmad Rafsanjani/Harvard SEAS)

團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了各種形狀的切痕，包括：三角形、圓形、梯形。他們發(fā)現(xiàn)梯形切痕，最接近蛇鱗的形狀，使得機(jī)器人的移動(dòng)幅度達(dá)到最大。

(圖片來(lái)源：Harvard SEAS)

SEAS 的博士后研究員、論文的第一作者 Ahmad Rafsanjani 表示：“我們展示了，通過(guò)恰當(dāng)?shù)仄胶鈳缀吻懈钚螤钆c致動(dòng)協(xié)議之間的關(guān)系，可以利用些剪紙皮膚的運(yùn)動(dòng)特性。進(jìn)一步說(shuō)，這些組件可進(jìn)一步優(yōu)化，從而改善系統(tǒng)響應(yīng)。”

價(jià)值

Rafsanjani 表示：“最近這些年，許多研究都是關(guān)于如何制造這種可形變、可伸展的結(jié)構(gòu)。我們展示了，剪紙?jiān)砜梢越Y(jié)合到軟體機(jī)器人中，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式更簡(jiǎn)單、更快速、比最近的技術(shù)更便宜。”

應(yīng)用力學(xué)教授、論文高級(jí)作者 Katia Bertoldi 表示：“我們相信，我們發(fā)明的基于剪紙的方案，為新型軟體爬行器的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了道路。這些全地形的軟體機(jī)器人有望穿越最艱難的環(huán)境，開(kāi)展探索、檢查、監(jiān)測(cè)和搜救任務(wù)，或者進(jìn)行復(fù)雜的腹腔鏡醫(yī)療手術(shù)。”