南丹麥大學(xué)軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究人員近日帶來了一項(xiàng)將傳統(tǒng)剪紙藝術(shù)融入現(xiàn)代機(jī)器人設(shè)計(jì)的創(chuàng)新成果，這一結(jié)合不僅令人眼前一亮，更為軟體機(jī)器人的發(fā)展開辟了新的路徑。

這項(xiàng)研究的核心在于利用剪紙（Kirigami）原理設(shè)計(jì)了一種充氣式軟體爬行機(jī)器人，相關(guān)研究已在《Advanced Robotics Research》期刊上發(fā)表。這種機(jī)器人完全由柔性紡織材料打造，通過巧妙的剪紙圖案設(shè)計(jì)和氣動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了類似蛇類的多種運(yùn)動(dòng)模式。

不同于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，這種新型軟體機(jī)器人憑借獨(dú)特的剪紙結(jié)構(gòu)，能夠在瀝青路面、金屬格柵、混凝土斜坡等多種復(fù)雜地形上自如爬行。研究團(tuán)隊(duì)在熱封紡織材料上設(shè)計(jì)了精細(xì)的交錯(cuò)線性切割圖案，當(dāng)向機(jī)器人內(nèi)部充氣時(shí)，這些切口會(huì)產(chǎn)生協(xié)調(diào)的局部變形，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠均勻收縮。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)執(zhí)行器充氣到100 kPa壓力時(shí)，切口的邊緣會(huì)相互重疊，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高達(dá)32%的均勻收縮，這一收縮率遠(yuǎn)高于沒有切口的普通氣囊。更重要的是，這種收縮是均勻且可控的，有效避免了傳統(tǒng)充氣結(jié)構(gòu)常見的局部屈曲問題。

這種剪紙結(jié)構(gòu)還賦予了機(jī)器人表面類似鱗片的特征，產(chǎn)生了方向性各向異性摩擦特性。具體來說，向前的摩擦系數(shù)明顯小于向后的摩擦系數(shù)，這一特性正是蛇類爬行的關(guān)鍵所在。為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了雙通道剪紙執(zhí)行器，每個(gè)模塊包含兩個(gè)獨(dú)立的平行氣道，可以分別控制充氣，從而實(shí)現(xiàn)軸向收縮和轉(zhuǎn)向功能。

通過將多個(gè)雙通道模塊串聯(lián)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了具有六個(gè)獨(dú)立控制通道的三模塊爬行機(jī)器人。通過精心設(shè)計(jì)的充氣序列，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)直線爬行、蛇形運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制等多種運(yùn)動(dòng)模式。實(shí)驗(yàn)表明，不同的致動(dòng)周期和相位差對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有顯著影響，研究團(tuán)隊(duì)通過參數(shù)優(yōu)化找到了最佳的控制策略。

在實(shí)地測(cè)試中，這種剪紙爬行機(jī)器人展現(xiàn)了驚人的適應(yīng)能力。無論是在不同粗糙度的表面上測(cè)量摩擦系數(shù)，還是在各種復(fù)雜地形上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試，機(jī)器人都表現(xiàn)出了出色的性能。特別是在綜合測(cè)試中，三模塊機(jī)器人成功通過手動(dòng)控制完成了一個(gè)S形路徑，繞過剛性障礙物，全程用時(shí)19分鐘。

這一創(chuàng)新不僅驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，更展示了剪紙爬行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的巨大應(yīng)用潛力。無論是搜救任務(wù)、管道檢查還是環(huán)境監(jiān)測(cè)，這種輕量、柔性、適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人都可能發(fā)揮重要作用。研究團(tuán)隊(duì)表示，盡管目前的設(shè)計(jì)仍需要外部氣源和控制系統(tǒng)的支持，但他們使用的微型氣泵和低功耗電磁閥都很緊湊輕便，為未來實(shí)現(xiàn)完全自主的無系留設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究的意義不僅在于創(chuàng)造了一個(gè)新型機(jī)器人，更在于展示了如何將古老的藝術(shù)形式與現(xiàn)代工程相結(jié)合，通過簡(jiǎn)單的幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。剪紙?jiān)聿粌H為軟體機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)范式，也為其他領(lǐng)域如可展開結(jié)構(gòu)、智能材料和仿生系統(tǒng)提供了靈感。這一創(chuàng)新成果再次證明，最先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新往往就隱藏在最古老的藝術(shù)形式之中。