研究人员从瓢虫翅膀得到灵感，设计出一款柔性可折叠机器人

智东西1月12日消息，近日，韩国首尔大学的研究人员从瓢虫翅膀得到灵感，设计出一款柔性可折叠机器人。

折叠可以使机器人结构紧凑、重量变轻，许多研究者都曾做过类似研究。在减震机构、机车机械手等结构中，可折叠设计也十分常见。但是，传统设计中，可折叠机械结构的每个表面都是不可变形的刚性面，难以储存能量和实现稳健的自锁。

首尔大学的研究克服了这一局限性。

这项研究已经发表在《科学·机器人学（Science Robotics）》期刊上，论文题目为《从瓢虫得到启发的柔性折叠（Ladybird beetle–inspired compliant origami）》

一、瓢虫翅膀：利用翼脉实现弹性储能和自锁

对于飞行动物来说，翅膀十分重要。在发生极端环境变化时或捕食者逼近时，它们需要快速展开翅膀逃离危险。

在这一过程中，翅膀快速展开的能力和承载能力缺一不可。翅膀的快速展开能力可以保证动物迅速动作；承载能力则可以保证飞行的稳定性，防止翅膀受空气动力影响而失效。

鸟类利用翅膀上的肌肉和骨骼来保证快速展开能力和承载能力。但是，瓢虫的翅膀却十分奇特。

瓢虫的翅膀是没有骨头和肌肉的膜状翅膀，却可以在100毫秒内快速展开，还能在高频扇动时维持有效的空气动力。

研究人员发现，这是因为瓢虫翅膀上特殊的翼脉。瓢虫的翅膀上有带式弹簧（tapespring）形状的翼脉，翼脉的横截面曲率和柔性使其翅膀既能弹性储能，也具有自锁能力。

在翅膀处于折叠状态时，横截面曲率使翼脉产生了较高的初始刚度，也保证了翅膀的自锁。同时，在翅膀折叠过程中，大量的能量被储存在翼脉中。

这一点给了研究人员启发：可以利用柔性材料实现机械的储能、自锁功能。

二、可折叠结构：116ms内快速展开，可承重自身的150倍

借鉴瓢虫翅膀翼脉的折叠方式，研究人员设计出了一个柔性可折叠机构。

首先，研究人员改变了以往可折叠结构每个面都是刚性面的特点，选用了两种不同材料进行制作。

在折叠和展开时，材料弯曲部分的应变更大。因此，材料弯曲部分采用了防撕裂织物材料，材料平面部分采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料制作。防撕裂织物材料的柔性比PET材料大100倍，具备与瓢虫翅膀翼脉相似的横截面曲率。

▲可折叠结构材料示意

为了生产出曲面，研究人员在热层压步骤中使用了预先设计好的模具。

▲热层压步骤

在柔性折叠的过程中，靠近折叠线的弯曲面逐渐变平，弹性势能储存在变形的面上。储存的弹性势能使机翼能够在116毫秒内快速展开。

▲弹性势能转化过程

另外，机翼面的弯曲形状赋予了柔性折叠结构自锁能力。设计出的柔性折叠结构可以承重其自身重量的150倍（约为210g，45mm力臂）。

为了进一步验证该柔性可折叠机构的性能，研究人员测量了折叠角度，绘制出折叠力矩图，又根据力矩图绘制了储存的能量图。

▲左：折叠力矩；右：储存的势能

图像显示，折叠力矩具有各向异性力矩投影，两个峰值折叠力矩呈现自锁。柔性折叠机构在不同的折叠角度下储存不同的能量。

三、成功应用于滑翔机

研究人员将柔性折叠机构应用于一个滑翔机器人，并进行了试飞。

视频第57秒可以看到，研究人员从3楼释放机器人，机器人快速展开机翼，经过滑翔后平稳落地。

视频第1分45秒开始的拍打飞行实验中，研究人员从一个平台上释放机器人，机器人快速拍打机翼，维持了较好的空气动力，成功飞到对面平台上。

研究人员还在有风条件下做了实验。视频第1分54秒可以看到，机器人能保持较稳定的滑翔状态，这说明机翼具有较好的承载能力。

实验证明，将柔性可折叠机构应用于滑翔机能实现较理想的滑翔性能。

结语：柔性可折叠机器人研究新方向

韩国首尔大学研究人员借鉴了瓢虫翅膀的折叠方式，研究出一款可快速展开、具备自锁功能、能储存大量弹性势能的柔性可折叠机构，并成功将其应用于一个滑翔机器人，为之后的柔性可折叠机器人研究指明了新方向。

论文中还指出，目前这种新型柔性可折叠机器人受到材料的限制，研究人员将在未来进行更深入研究。

责任编辑：lq