新型机器鸭脖人技术受到吞鰻启发的“双模”变形折纸结构

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新型机器鸭脖人技术受到吞鰻启发的“双模”变形折纸结构

新软体机器人技术登上《Science-Robotics》杂志封面

以吞食鳗鱼为灵感的“双模”变形折纸结构

鸭脖天然海洋中有一种奇怪的鱼叫“燕鳝”(又名阔嘴鳝、巨鳝、鹈鹕鳝,学名Eurypharynx pelecanoides),长得像普通的鳝鱼,可以搭配用“平凡”来形容它,但一开口,绝对能让你惊叹。吞食鳗鱼的嘴可以扩张吞食比自己身体大几倍的猎物。极度膨胀的嘴巴像气球一样圆润,陌生中带着几分可爱变形机械人图,这得益于鱼嘴的特殊结构。


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吞咽鳗鱼的嘴

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吞咽鳗鱼嘴变形动态图

看了文章发现变形机械人图,吞鳗嘴的变形原来是通过“基于头部骨骼的几何形状展开”和“弹性皮肤的拉伸”展开两种不同的模式来实现的。通过这两种变形方式,吞咽鳗的嘴可以从很小的状态变成非常极端的变形状态。

基于这种变形模式,研究人员提出了一种新的软体机器人折纸结构,首先将折纸基于一个框架展开,然后进行拉伸和扩展以实现极限变形。他们称这种结构为“双模变形折纸”。与传统的折纸结构或气动软机器人相比,“双模”结构可以说融合了两者的优点。根据具体的折纸结构,可以实现从极小体积的初始状态到极端变形的最终状态的过渡。


新型机器鸭脖人技术受到吞鰻启发的“双模”变形折纸结构


新型机器鸭脖人技术受到吞鰻启发的“双模”变形折纸结构

吞咽鳗鱼嘴变形分析

先在论文中展示研究团队制作的一些软体机器人,供大家欣赏(文末附上小编剪辑的视频合集):


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仿生吞鳗机器人动力学图


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从头开始隐藏捕手动画


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万能抓手抓取动态图像

下图对比了传统的“折纸结构”软件驱动和“双模”变形的折纸结构软件驱动。不难发现,从驱动程序的旋转角度来看,双模变形结构产生的变形量是传统“折纸结构”软件驱动程序的足足2.5倍。


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传统折纸结构软件驱动与“双模”变形结构对比

基于三种折纸结构的“双模”变形结构

研究人员基于三种非常典型的折纸结构设计了“双模”变形结构变形机械人图变形机械人图,分别是:纸折鱼、三浦折纸和吉村折纸(Yoshimura origami)。

研究人员在设计“双模”变形结构时,会设计一些特殊的“软体骨架支架”,软体骨架之间通过高弹性硅胶膜连接(制作流程如图所示)文末视频)。通过这样的设计实现了连续的“双模”变形。当“双模”变形结构充满流体时变形机械人图,随着压力的增加,结构会首先向设计者希望折纸展开的方向变形,然后继续增加压力,使整个结构伸展并展开。

跟随小编一起来看看三种“双模”变形结构的展示吧。

首先是基于折纸鱼结构的双峰变形结构。研究人员利用这种结构制作了一条仿生吞咽鳗鱼:


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基于折纸鱼的“双模”变形结构


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折纸鱼结构动态图

另一个非常有名的折纸结构,三浦褶皱,被广泛用于地图和卫星上。研究人员利用这种结构创造了一种弯曲的结构,可以立即从扁平的折叠结构扩展到大体积。富有想象力的研究人员制作了一个“沙子”隐形捕手,并通过瞬间变形抓住了一个经过的六足机器人。正是这一场景被《Science-Robotics》杂志选中。在封面上。


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基于三浦折纸的“双模”变形结构


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三浦式折纸结构动态图


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双模三浦结构动态图展示


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隐形抓手捕捉快速移动的机器人


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最后展示的模型是基于吉村折纸结构的“双模”变形结构。该结构可以从平面结构拉伸和扩展为圆柱形/球形结构。研究人员制造了一种通用的通用软质夹持器,并展示了极其多样化的夹持性能。


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基于吉村式折纸的“双模”变形结构


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吉村式折纸结构动态图


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通用软件夹具的动态图片


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基于双模吉村结构的万能夹持器

“双模”变形结构概述及应用前景


新型机器鸭脖人技术受到吞鰻启发的“双模”变形折纸结构

“双模”变形模型还可以用于其他一些场景。除了上面提到的典型例子,研究人员还制作了可以爬行的软体机器人和像大白这样可以“拥抱”软体机器人的机器人,展示了“双模”结构的一些其他可能的应用。


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爬行软件机器人动态图


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大白“抱”机器人动态图

“双峰”可变形结构通过应用两种现有的变形机制,即展开和拉伸,实现了从小体积到极大体积的变形。这篇论文向我们展示了这种结构具有极强的自力适应能力、较大的体积变化率和较快的响应速度。

研究人员在论文中指出,除了论文中提到的三种折纸模式外,它们的设计原则可能适用于更多的折纸结构,比如Kresling折纸(一种圆柱形到扁平的折纸结构)或折纸魔法球具有扭转和径向运动的结构。 “双模”变形结构为材料结构、形状变形系统的研究,以及仿生变形机构、便携式软机器人、生物医学设备和活性超材料的研究和制造提供了新的平台。

文末视频:

参考资料:

Kim、Woongbae、JunghwanByun、Jae-Kyeong Kim、Woo-Young Choi、Kirsten Jakobsen、Joachim Jakobsen、Dae-Young Lee 和 Kyu-Jin Cho。 “仿生双变形可拉伸折纸。”科学机器人 4,没有。 36 (2019).

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