用于机器人应用的受折纸启发的通用可变形模块

模块化机器人——可以调整其身体配置以改变运动方式或在不同地形上移动的机器人系统——对于在不同环境中处理任务非常有利。在过去十年左右的时间里，工程师们开发了各种各样的模块化机器人，这些机器人依赖于不同的设计和底层机制。

中国西湖大学和浙江大学的一个研究团队最近推出了一种新的模块化机器人设计，其灵感来自于折纸艺术，特别是被称为克雷斯林图案的折纸折叠。他们的设计在《自然通讯》的一篇论文中介绍，依赖于新引入的通用可变形模块，这些模块可以重新排列以创建不同的形状和配置。

进行这项研究的研究人员之一HanquingJiang告诉TechXplore，“人们已经做出了一些努力，利用Kresling模式来开发多模式机械臂。”“然而，现有的方法纯粹基于Kresling模式本身;因此，变形模式受到耦合扭曲和收缩模式的限制。主要目标是修改经典的Kresling模式并生成新的变形模式。”

在折纸的背景下，克雷斯林图案由沿着相反的扭曲方向成角度的交替的山形(即突出)和谷形(即凹陷)折叠组成。这种图案可用于创建类似于自然界中观察到的图案的复杂形状，例如天蛾翅膀上的图案或松果上的螺旋几何形状。

作为研究的一部分，Jiang和他的同事尝试使用这种特殊的折纸图案来创建一个模块化的可变形单元，可以适应创建不同的形状。他们创建的模块由气动装置驱动，该系统依靠气体或压缩空气来产生不同的运动。

“该单元由两层Kresling图案组成，每层扭曲方向相反，”Jiang解释道。“更重要的是，在每一层的相对两侧都有两个侧袋。因此，根据侧袋的加压方式，当主室抽真空时，我们可以实现不同的变形模式。”

研究人员推出的新模块可以根据施加的压力改变其形状，产生满足特定应用场景需求的各种形状。总的来说，它可以用单个折纸模块在机器人中产生七种不同的运动模式，包括三种基本运动和这些基本运动的四种重新组合。

“我们的两级单元是一个通用变形模块，可以根据所采用的具体加压方案实现所有可能的变形模式，”姜说。“该模块就像我们的手臂，可以执行所有变形模式(收缩/伸展、扭转、弯曲)，具体取决于神经如何控制肌肉。该装置的加压方案就像我们的神经，通用模块承担了我们的手臂。这种基于折纸的机械臂将充当具有六个自由度的刚性机械臂。”

研究人员通过一系列模拟和现实实验评估了受折纸启发的可变形模块。他们收集的结果非常有前景，突显了其开发模块化机器人的潜力，这些机器人可以适应周围环境并以不同的方式移动。

值得注意的是，该模块还可以在机器人运行时重新组装，使其成为需要快速适应环境变化的复杂现实任务的理想选择。未来，这项工作可以为更复杂的软机器人铺平道路，这些机器人对周围环境的反应更加灵敏。

“在我的下一个作品中，我计划将这种结构用于更实际的应用，例如抓取较大的物体，”姜补充道。