自动折叠式Rollbot为完全不受束缚的软机器人铺平了道路

如今，大多数软机器人依靠外部电源和控制，使它们与车外系统连接或用硬件组装。现在，来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和加州理工学院的研究人员开发了灵感来自折纸的软机器人系统，可以根据外部刺激移动和改变形状，为完全不受束缚的软件铺平道路机器人。

“将活性材料整合到3D打印物体中的能力使得能够设计和制造全新类型的软机器人物质，”SEAS生物启发工程的Hansjorg Wyss教授，共同主要作者Jennifer A. Lewis说。这项研究。

研究人员转而使用折纸来制作多功能软机器人。通过连续折叠，折纸可以在单个结构中编码多种形状和功能。研究团队使用被称为液晶弹性体的材料，在暴露于高温时会改变形状，研发团队可以三维打印两种类型的软铰链，这些铰链可以在不同的温度下折叠，因此可以按照特定的顺序进行编程。

“通过我们的3D打印主动铰链方法，我们可以在温度响应，铰链可以施加的扭矩量，​​弯曲角度和折叠方向上实现完全可编程性。我们的制造方法有助于将这些有源元件与其他材料集成，” Arda Kotikian是SEAS和文理学研究生院的研究生，也是该论文的共同第一作者。

自推式Rollbot以平板开始，大约8厘米长，4厘米宽，当放置在热表面上时卷曲成五角形轮。嵌入在车轮五个侧面中的每个侧面上的铰链在与表面接触时折叠，推动车轮转向下一侧。当铰链从热表面滚落时，它们展开并准备好进行下一个循环。

“使用铰链可以更容易地编程机器人功能并控制机器人如何改变形状。而不是让软机器人的整个身体以难以预测的方式变形，你只需要编程一些小的区域你的结构将对温度的变化做出反应，“加州理工学院的研究生，该论文的共同第一作者Connor McMahan说。

为了演示这种方法，Kotikian，McMahan和团队构建了几个软设备，包括一个绰号为“Rollbot”的无绳软机器人。Rollbot以平板开始，长约8厘米，宽约4厘米。当放置在约200°C 的热表面上时，一组铰链折叠并且机器人卷曲成五角形轮。

另一组铰链嵌在车轮的五个侧面中的每一个上。铰链在与热表面接触时折叠，推动轮转向下一个铰链折叠的下一侧。当它们从热表面滚落时，铰链展开并准备好进行下一个循环。

该设备演示了顺序折叠。它可以在加热时折叠成类似于回形针的紧凑折叠形状，并在冷却时展开。图片来源：Lori Sanders / Harvard SEAS

“许多现有的软机器人需要系绳连接到外部动力和控制系统，或者受到它们施加的力量的限制。这些主动铰链非常有用，因为它们允许软机器人在系绳不实用的环境中操作并且可以多次抬起物体比铰链重，“麦克马汉说。

当放置在热环境中时，另一种装置可折叠成类似于回形针的紧凑折叠形状，并在冷却时展开。

当顶部铰链致动温度从环境温度升高到100°C时，该设备演示顺序折叠，在底部铰链致动的情况下达到150°C。图片来源：Lori Sanders / Harvard SEAS

“这些不受束缚的结构可以被动控制，”Kotikian说。“换句话说，我们需要做的就是将结构暴露在特定的温度环境中，它们将根据我们对铰链进行编程的方式做出响应。”

虽然这项研究只关注温度响应，但液晶弹性体也可以编程，以响应光，pH，湿度和其他外部刺激。

“这项工作展示了建筑复合材料中响应聚合物的组合如何能够导致材料在不同的刺激下自动启动。将来，这些材料可以编程执行更复杂的任务，模糊材料和机器人，“加州理工学院机械工程和应用物理学教授，该研究的共同主要作者Chiara Daraio说。