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根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，如今，大多數(shù)軟機器人都依賴于外部動力和控制，其中鉸接式軟機器人是具有軟硬部分的機器人，其靈感來自脊椎動物的肌肉骨骼系統(tǒng)-從爬行動物到鳥類再到哺乳動物再到人類。順應(yīng)性通常集中在致動器，傳動裝置和關(guān)節(jié)（對應(yīng)于肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)）上，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性則通過剛性或半剛性連接（對應(yīng)于脊椎動物的骨骼）來提供。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS) 和加州理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出受折紙啟發(fā)的軟體機器人系統(tǒng)，可以響應(yīng)外部刺激而移動和改變形狀，為完全不受束縛的軟體機器人鋪平了道路，該研究發(fā)表在《科學(xué)機器人》上。

Lori Sanders/Harvard SEAS

模糊了材料與機器人的界限

其核心原理是3D 打印的活動鉸鏈可根據(jù)熱量改變形狀，當(dāng)溫度從環(huán)境溫度升高到 100°C到 150°C（底部鉸鏈啟動）時，該設(shè)備展示了順序折疊。圖片來源：Lori Sanders/Harvard SEAS

根據(jù) Jennifer A. Lewis 博士，將活性材料集成到 3D 打印物體中，能夠設(shè)計和制造全新類別的軟機器人材料。

研究人員轉(zhuǎn)向折紙來創(chuàng)造多功能軟機器人，通過連續(xù)折疊，折紙可以在單個結(jié)構(gòu)中編碼多種形狀和功能。研究小組使用被稱為液晶彈性體的材料，在受熱時會改變形狀，3D 打印了兩種類型的軟鉸鏈，它們在不同的溫度下折疊，因此可以編程以按特定順序折疊。

通過3D 打印活動鉸鏈方法，對溫度響應(yīng)、鉸鏈可以施加的扭矩量、彎曲角度和折疊方向具有完全的可編程性。哈佛大學(xué)和加州理工學(xué)院的制造方法有助于將這些活性成分與其他材料相結(jié)合。

自折疊“Rollbot”為完全不受束縛的軟機器人鋪平道路

為了演示這種方法，團隊構(gòu)建了幾個軟設(shè)備，包括一個綽號為“Rollbot”的不受束縛的軟機器人。自走式 Rollbot 最初是一塊平板，長約 8 厘米，寬約 4 厘米，放置在熱表面上時會卷曲成一個五邊形的輪子。嵌入車輪五個側(cè)面的鉸鏈在與表面接觸時折疊，推動車輪轉(zhuǎn)向另一側(cè)。當(dāng)鉸鏈從熱表面滾落時，它們會展開并為下一個循環(huán)做好準(zhǔn)備。

Lori Sanders/Harvard SEAS

使用鉸鏈可以更輕松地對機器人功能進(jìn)行編程并控制機器人如何改變形狀，通過3D打印使得變形可控，與其讓軟機器人的整個身體以難以預(yù)測的方式變形，通過3D打印只需要編程結(jié)構(gòu)的幾個小區(qū)域以設(shè)置如何響應(yīng)溫度變化。

許多現(xiàn)有的軟機器人需要連接外部電源和控制系統(tǒng)，或者受到它們可以施加的力的限制。3D科學(xué)谷了解到這些3D打印的主動鉸鏈很有用，因為它們允許軟機器人變得更加“自主可控”，并且可以提升比鉸鏈重許多倍的物體。

自我驅(qū)動

一種設(shè)計展示了順序折疊，它可以在加熱時折疊成類似于回形針的緊湊折疊形狀，冷卻時可以自行展開。

另一種設(shè)計，當(dāng)放置在炎熱的環(huán)境中時，可以折疊成類似于回形針的緊湊折疊形狀，并在冷卻時自行展開。

這些不受束縛的結(jié)構(gòu)可以被動控制，科研人員需要做的就是將結(jié)構(gòu)暴露在特定的溫度環(huán)境中，這些結(jié)構(gòu)將根據(jù)科研人員對鉸鏈進(jìn)行編程的方式做出響應(yīng)。

雖然這項研究只關(guān)注溫度響應(yīng)，但液晶彈性體也可以通過編程來響應(yīng)光、pH、濕度和其他外部刺激。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，這項工作展示了響應(yīng)聚合物在復(fù)合材料中的組合如何導(dǎo)致材料具有自我驅(qū)動能力以響應(yīng)不同的刺激。未來，這些材料可以通過編程來執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，這模糊了材料和機器人之間的界限。

這項研究得到了陸軍研究辦公室、哈佛材料研究科學(xué)與工程中心、美國國家科學(xué)基金會和美國宇航局空間技術(shù)研究獎學(xué)金的支持。