首爾國(guó)立大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種緊湊而輕巧的折紙結(jié)構(gòu)，其靈感來(lái)自于瓢蟲。在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上發(fā)表的一篇論文中，他們展示了如何利用這種結(jié)構(gòu)來(lái)建造一個(gè)有翅膀的跳躍滑翔機(jī)器人。跳躍-滑翔是一種特殊的運(yùn)動(dòng)方式，它結(jié)合了滑翔和跳躍運(yùn)動(dòng)。
此外，眾所周知，瓢蟲的翅膀具有很強(qiáng)的抵抗力和堅(jiān)固性，這可以防止它們?cè)诟哳l率拍打時(shí)折疊或彎曲。Cho和他的同事們希望創(chuàng)造出一種具有類似于瓢蟲翅膀的人造結(jié)構(gòu)翅膀，能快速又高效地展開。
"我們的目標(biāo)是開發(fā)出一種跳躍滑翔機(jī)器人的機(jī)翼，"軟體機(jī)器人研究中心主任兼該研究的首席研究員Kyu-Jin Cho說(shuō)。"跳躍式滑翔運(yùn)動(dòng)可以提高機(jī)器人的能源效率和行駛距離。要做到這一點(diǎn)，機(jī)翼應(yīng)該是可折疊的、可快速展開的、在空氣動(dòng)力作用下有彈性的。"
在過(guò)去的研究中，大多數(shù)研究人員在開發(fā)跳躍滑翔機(jī)器人時(shí)，采用的設(shè)計(jì)策略是在機(jī)器人的機(jī)翼上加裝聯(lián)動(dòng)裝置、彈簧和執(zhí)行器。然而，這些技術(shù)往往會(huì)使機(jī)器人變得特別笨重，阻礙了機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)性能。
Cho和他的同事們從自然界中汲取靈感，更具體地說(shuō)，是從瓢蟲甲殼蟲中汲取靈感，開發(fā)出了一種跳躍滑翔機(jī)器人的設(shè)計(jì)策略。瓢蟲可以在0.1秒內(nèi)迅速展開其復(fù)雜折疊的翅膀；這個(gè)時(shí)間比眨眼的時(shí)間還短。
此外，眾所周知，瓢蟲的翅膀具有很強(qiáng)的抵抗力和堅(jiān)固性，這可以防止它們?cè)诟哳l率拍打時(shí)折疊或彎曲。Cho和他的同事們希望創(chuàng)造出一種具有類似于瓢蟲翅膀的人造結(jié)構(gòu)翅膀，能快速又高效地展開。
"我們開發(fā)出了一種新型的折紙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以快速自我展開，并且具有彈性。"該研究的第一作者Sang-Min Baek解釋說(shuō)。"然后，我們將這種新型的折紙結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了可展開式機(jī)翼模塊的翼架上。基于這種可展開翼模塊，我們能夠建造出一個(gè)輕巧、可折疊但堅(jiān)固的跳躍滑翔機(jī)器人。"
瓢蟲的翅膀之所以既容易展開，抵抗力又強(qiáng)，是因?yàn)樗鼈兊某岚蚴菄@著一個(gè)獨(dú)特的膠帶彈簧狀的脈絡(luò)構(gòu)建的。當(dāng)瓢蟲折疊翅膀時(shí)，這條膠帶彈簧狀的脈絡(luò)會(huì)變形，讓彈性能量?jī)?chǔ)存在里面。這種儲(chǔ)存的能量最終使翅膀能夠快速、輕松地展開。
"由于帶狀彈簧形靜脈的橫截面曲率，機(jī)翼在較大的空氣動(dòng)力作用下也很堅(jiān)固，就像卷尺維持其伸直的形狀一樣，"Baek解釋道。"我們將其幾何形狀和順應(yīng)性應(yīng)用到折紙結(jié)構(gòu)的切面上。因此，折紙結(jié)構(gòu)獲得了能量?jī)?chǔ)存和自鎖能力，而不需要任何額外的組件。"
傳統(tǒng)折紙結(jié)構(gòu)是由平坦且剛性的小面組成，并具有高度靈活的折疊線。但在機(jī)器人應(yīng)用中，這些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往在能量?jī)?chǔ)存和鎖定能力方面存在局限性。因此，Cho和他的同事們決定采用一種不同的折紙方法，將弧形幾何圖形整合到各個(gè)小平面中，本質(zhì)上將每個(gè)小平面視為一個(gè)可變形的元素。
"使用這種方法，折紙結(jié)構(gòu)獲得了能量?jī)?chǔ)存和鎖定能力，而不需要任何額外的組件，"Cho說(shuō)。"此外，這種折紙?jiān)O(shè)計(jì)方法可以很容易地應(yīng)用到傳統(tǒng)的折紙結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中。因此，我們的折紙?jiān)O(shè)計(jì)方法，也就是我們所說(shuō)的順應(yīng)性折紙，可以很容易地應(yīng)用于各種可部署的系統(tǒng)。"
到目前為止，Cho和他的同事們將他們基于折紙的結(jié)構(gòu)在一個(gè)單一的跳躍滑翔機(jī)器人上進(jìn)行了應(yīng)用和測(cè)試，但在未來(lái)，它可以用于制造其他類型機(jī)器人。此外，他們的研究更多地關(guān)注于折紙結(jié)構(gòu)本身，而不是機(jī)器人。因此，在接下來(lái)的研究中，研究人員計(jì)劃對(duì)他們使用折紙結(jié)構(gòu)建造的跳傘機(jī)器人的性能和能力進(jìn)行研究。
"我們開發(fā)的多模式機(jī)器人可以通過(guò)結(jié)合跳躍、爬行、滑行、滑翔、拍打和棲息等功能，克服各種崎嶇的地形，"Cho說(shuō)。"自然界利用功能組合來(lái)產(chǎn)生這些動(dòng)作，但目前的機(jī)器人都集中在單一功能上。通過(guò)開發(fā)出適合組合多種功能的新部件，未來(lái)的機(jī)器人可以擁有多模式的功能，而不需要增加機(jī)器人的復(fù)雜性或重量。"
