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机器人建筑的灵感来自鹈鹕鳗 折纸展开和皮肤拉伸机制

人工智能和机器人体系结构的灵感通常来自于自然界中人类和动物的模式。在动物身上观察到的运动模式已经在机器人身上得到了复制,通过化学膨胀、皮肤拉伸或折纸变形等多种变形机制。

 

 

首尔国立大学(Seoul National University)韩国软机器人研究中心(Soft Robotics Research Center)和葡萄牙Rebikoff-Niggeler基金会(FRN)的研究人员最近开发了一种机器人建筑,其结构灵感来自生活在深海的鹈鹕鳗。他们的建筑出现在发表在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上的一篇论文中,是一系列受动物或自然现象启发的最新设计之一。

“在过去的几年里,我们一直在研究几种仿生机器人,包括发表在《科学》杂志上的以水为灵感的跳水机器人,以及折纸灵感的可变形机器人和软机器人,”通讯作者和该研究的首席研究员Kyujin Cho教授告诉TechXplore。“我们对可拉伸折纸的研究可以看作是我们之前工作的一个整合。”

在研究鹈鹕鳗鱼如何张大嘴时,Cho和他的同事们假设,这种行为可以通过折纸展开和柔软皮肤拉伸技术的结合,在机器人身上复制出来。这激发了他们设计基于折纸的结构,这种结构由可伸缩的软材料制成,可以使机器人的形状发生实质性的变化。

到目前为止,大多数研究团队已经开发出使用软材料或基于折纸设计的机器人。软机器人和基于折纸的架构之间的关键区别在于,前者通过拉伸皮肤来改变形状,而后者则通过展开褶皱来改变形状,就像日本折纸艺术一样。

当鹈鹕鳗试图吃掉猎物时,它会做出一种独特的动作,既要展开它的皱褶,又要张大嘴巴。在他们的研究中,Cho和他的同事们开始在一个机器人建筑中复制这种行为,方法是将受折纸启发的技术与软材料的使用相结合。

“我们的可拉伸折纸完全是由可拉伸材料制成的,所以它既体现了变形模式的展开和拉伸,”该研究的第一作者、机器人建筑的主要设计师Woongbae Kim解释说。“与其他仿生学建筑复制整体形状变化机制相比,双变形原则可以实现两种不同功能运动的极端形状变化。””

在Kim和他的同事提出的结构中,柔软的人造皮肤的流体路径被一组可拉伸的折纸装置所包围和引导,这些折纸装置模仿了鹈鹕鳗使嘴膨胀的机制。流体压力指向机器人身体最初展开的方向,这使得机器人的动作与鹈鹕鳗的动作非常相似。

研究人员能够从鹈鹕启发的机器人设计中开发出一个基本的双变形单元,它可以作为各种折纸设计的基本单元。他们发现这些机器人可以做出各种各样的动作,包括抓取、爬行和水下运动。

Cho说:“我们的研究为软式机器人提供了一种新的设计策略,它一开始是紧凑和扁平的,但它可以用于执行任务,然后再自动折叠。”“我们认为,未来软机器人将被开发成小巧便携的形状,这样人们在日常生活中就可以很容易地使用它们。”

在未来,Kim和他的同事提出的独特的折纸和可拉伸的皮肤为基础的设计可以用于开发各种新的形状变形机器人系统。研究人员现在正计划继续他们的设计,例如,探索可伸缩传感器如何与基于折纸的架构集成。

“还有很多事情要做,”金说。他说:“现在,我们所介绍的原理可以应用于不同的折纸结构,以创造新的运动,例如组合缠绕。”对于实际的机器人应用,可拉伸的折纸结构应该优化,使其更坚固、更可靠。最后,我们希望利用我们的设计来开发新的软机器人系统,比如可展开的软机械臂。”

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