研究背景

根據(jù)機(jī)器人所使用的材料，可以將目前的機(jī)器人分為剛性機(jī)器人與軟體機(jī)器人。相對(duì)于剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人擁有更大的自由度，在靈活性上具有較大的優(yōu)勢(shì)。在過(guò)去的幾十年中，研究人員研究出了各種軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了許多傳統(tǒng)機(jī)器人所難以實(shí)現(xiàn)的功能，如柔性抓取，仿生爬行等。軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源也多種多樣，包括氣動(dòng)，介電，化學(xué)物質(zhì)和折紙等。

折紙作為一門(mén)從二維到三維映射變換的藝術(shù)，是一種從平面到空間非光滑復(fù)雜曲面的拓?fù)渫咦儞Q。折紙折痕的拓?fù)湫问剑约罢奂垯C(jī)構(gòu)方式變化，在各個(gè)研究領(lǐng)域中都一直受到研究者們的高度關(guān)注。其中，一類(lèi)構(gòu)型的折紙由Birtua Kresling提出，領(lǐng)域內(nèi)將其命名為Kresling折紙構(gòu)型，自然，相應(yīng)的折紙驅(qū)動(dòng)單元被命名為為Kresling驅(qū)動(dòng)單元。折紙機(jī)器人的機(jī)器人又分為：磁驅(qū)，氣動(dòng)，電磁電機(jī)，形狀記憶合金式等。去除引線(xiàn)的束縛，磁驅(qū)的方式因?yàn)榭梢詿o(wú)線(xiàn)控制大大拓展了這類(lèi)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。

針對(duì)于醫(yī)療微創(chuàng)輔助設(shè)備應(yīng)用較為缺乏研究的前提下，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于Kresling驅(qū)動(dòng)單元的磁驅(qū)折紙爬行機(jī)器人。為了拓展該類(lèi)型機(jī)器人對(duì)不同地形的適應(yīng)性，團(tuán)隊(duì)將該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)仿生于自然界的尺蠖昆蟲(chóng)，加之磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，將其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)小型化設(shè)計(jì)，使其具有基本的爬行和轉(zhuǎn)彎能力同時(shí)，也具備藥物儲(chǔ)存和釋放的功能性，可應(yīng)用于微創(chuàng)輔助設(shè)備，大大拓展了該類(lèi)型機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

創(chuàng)新點(diǎn)

斯坦福大學(xué)的Ruike Renee Zhao團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種磁控式的折紙機(jī)器人。該團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作中通過(guò)有限元分析以及理論上推導(dǎo)和驗(yàn)證了爬行磁驅(qū)軟體機(jī)器人上運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的扭矩值，然后通過(guò)磁場(chǎng)控制對(duì)爬行機(jī)器人的扭矩進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爬行機(jī)器人的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，磁驅(qū)的優(yōu)勢(shì)在于可以提供無(wú)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的小型化和綠色能源化的機(jī)器人設(shè)計(jì)。最后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示了機(jī)器人的藥物儲(chǔ)存和釋放能力，以此說(shuō)明了所提出的機(jī)器人可以勝任醫(yī)療微創(chuàng)輔助設(shè)備的工作，如運(yùn)輸和釋放藥物進(jìn)行靶向治療。

文章解析

文初，結(jié)合有限元仿真，團(tuán)隊(duì)對(duì)Kresling驅(qū)動(dòng)單元的爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其中包括Kresling驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)原理，輸出扭矩。其中，爬行機(jī)器人如圖1所示圖片

圖1：基于Kresling驅(qū)動(dòng)單元爬行機(jī)器人構(gòu)型：(A) Kresling驅(qū)動(dòng)單元示意圖；(B) 由兩個(gè)具有反向折痕方向的驅(qū)動(dòng)單元制成的偶極子示意圖；(C) Kresling驅(qū)動(dòng)單元的扭矩實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線(xiàn)；(D) 由兩個(gè)Kresling驅(qū)動(dòng)偶極子制成的爬行機(jī)器人示意圖；(E) Kresling爬行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)所有單元所需的扭矩；(F) 對(duì)所有驅(qū)動(dòng)單元同時(shí)收縮時(shí)的有限元仿真驗(yàn)證結(jié)果。

根據(jù)以上機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)所需的扭矩分布結(jié)果，團(tuán)隊(duì)對(duì)應(yīng)布置了了四個(gè)磁化方向，用于分配爬行機(jī)器人的扭矩，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)：

圖2：爬行機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)； (A)爬行機(jī)器人樣機(jī)；(B) 初始狀態(tài)和收縮狀態(tài)下的機(jī)器人結(jié)構(gòu)和磁化示意圖；(C)機(jī)器人收縮期間單元之間的扭矩比；(D) 40 mT 磁場(chǎng)強(qiáng)度下的機(jī)器人收縮示意圖；(E) 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下機(jī)器人收縮百分比值

在搭建完磁場(chǎng)后以及對(duì)機(jī)器人的收縮長(zhǎng)度進(jìn)行研究之后，團(tuán)隊(duì)展示了機(jī)器人在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，其中包括爬行機(jī)器人的步距和速度特性：

圖3：機(jī)器人的爬行機(jī)構(gòu)；(A)爬行機(jī)器人在 40 mT 磁場(chǎng)強(qiáng)度下的單步步距；(B) 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率下爬行運(yùn)動(dòng)的幅值和 (C)速度特性

在初步驗(yàn)證該機(jī)器人具有初步運(yùn)動(dòng)的能力后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)提出的爬行機(jī)器人更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)控制，讓機(jī)器人按照既定的路線(xiàn)進(jìn)行跟隨爬行運(yùn)動(dòng)，包括轉(zhuǎn)彎和循跡：

圖4：爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和導(dǎo)航；(A) 爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向原理；(B) 爬行機(jī)器人按照既定時(shí)間沿 “Z”路徑進(jìn)行循跡；(C) 機(jī)器人按照既定時(shí)間沿“O”形路徑進(jìn)行循跡

圖5：爬行機(jī)器人的各向異性特性；(A) 軸向和橫向壓縮施加示意圖；（B）在不同磁場(chǎng)下沿軸向的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；（C）在不同磁場(chǎng)下沿橫向的的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；(D)在密閉空間中爬行的示意圖；(E) 前進(jìn)運(yùn)動(dòng)

文末，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了爬行機(jī)器人運(yùn)輸藥物的實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)說(shuō)明該類(lèi)型機(jī)器人具備微小型藥物的運(yùn)輸和釋放能力，面向微創(chuàng)輔助設(shè)備，可以進(jìn)行靶向治療：

圖 6.爬行機(jī)器人的藥物運(yùn)載和釋放示意圖（藍(lán)色為藥丸）；(A) 帶通孔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型爬行機(jī)器人的示意圖，通孔用于放置藥丸；(B) 爬行機(jī)器人在初始狀態(tài)和收縮狀態(tài)下的藥丸位置；(C) 所運(yùn)載的藥丸逐漸溶解在水中的過(guò)程示意圖

讀后感

基于上述特點(diǎn)，折紙機(jī)器人未來(lái)將在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療救援、軍事探測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。團(tuán)隊(duì)在本設(shè)計(jì)上，提出了一種可以運(yùn)輸和釋放藥物的磁驅(qū)式折紙機(jī)器人，使其在醫(yī)療微創(chuàng)輔助設(shè)備的應(yīng)用上有很大的應(yīng)用空間和工程背景。然而，這類(lèi)型的折紙機(jī)器人在極端環(huán)境因素下的動(dòng)態(tài)特性（如變形、穩(wěn)態(tài)頻響和瞬態(tài)響應(yīng)特性），目前還不得而知。此外，其極端力學(xué)特性在極端環(huán)境因素作用下，其響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)其理論建模，分析和實(shí)驗(yàn)也需要進(jìn)一步去探索。