折纸机器人能从灰烬中重生 研究领域细分越来越多

“折纸机器人”是最先进的软、柔性机器人，已经过测试，可用于各种应用，包括人体药物输送，灾难环境中的搜索和救援任务以及类人机器人手臂，这使得折纸机器人出现了很多细分研究，而这些研究往往都取得了非常不错的成绩。

因为这些机器人需要灵活，所以它们通常由柔软的材料制成，例如纸张，塑料和橡胶。为了发挥功能，通常会在顶部添加传感器和电气组件，但这会增加设备的体积。

现在，一个由NUS研究人员组成的团队已经开发出一种新颖的方法来创建一种用于这些软机器人的新型金属基材料。这种新材料将铂等金属与烧纸（灰烬）结合在一起，具有增强的功能，同时保持了传统纸和塑料的可折叠性和轻便性。实际上，新材料的重量是纸的一半，这也使其具有更高的能效。

这些特性使这种材料成为制造柔韧而轻巧的假肢的强有力的候选者，该假肢的重量比传统假肢轻60％。这样的假体可以提供实时的应变感测，以反馈有关其弯曲程度的信息，从而为用户提供更好的控制和即时信息，而无需外部传感器，否则外部传感器会给假体增加不必要的重量。

该研究团队复制用薄弹性体制成的铂金折纸结构，以形成多功能骨架，从而创建新的折纸机器人。与使用其他材料建造的机器人相比，这些新型机器人具有更高的变形性，阻燃性和能效。杨等。观察到了新型铂金机器人（Pt机器人）的新增功能，包括按需电阻加热，应变感应和不带外部电子设备的内置天线。为了获得更多功能，它们包括实时监视或记录机器人运动，机器人之间的无线通信，热量调节和磁控制。这项新工作丰富了机器人材料库，以设计通用的软机器人。

机器人技术研究人员此前曾探索过日本古代的折纸艺术，以制造人造肌肉，自动折叠机，弹簧折纸系统和机器人变形。通常，他们使用纤维素纸，聚酯，聚醚醚酮和聚四氟乙烯来制造此类发明的骨架。尽管提供了机械支持，但纸或塑料骨架缺乏刺激响应，感应和无线通信功能。现在，研究团队不再安装外部设备来提供这种功能，而是致力于开发多功能的软机器人主干网以实现紧密集成。研究工作尚未证明这种具有导电折纸骨架的原型软机器人具有传感和通信潜力。因此，科学家渴望开发一种新的制造方案，以生产机械稳定，柔软且导电的机器人骨架。

于是，这种轻巧的金属骨架诞生了，它比用于制造折纸机器人的传统材料轻至少三倍，它还具有更高的能源效率，使折纸机器人能够以比原来少30％的能源更快地工作。此外，这种新型材料具有耐火性，适合制造在恶劣环境下工作的机器人，因为它可以承受约800°C的燃烧长达5分钟。

另外一个优点是，这种新型导电材料具有按需地热加热的功能-通过该材料发送电压会导致其加热，这有助于防止机器人在寒冷环境中工作时结冰。这些属性可用于创建轻便灵活的搜索救援机器人，这些机器人可以进入危险区域，同时提供实时反馈和通信。

这种金属基材料是由团队开发的一种新工艺生产的，该工艺称为“氧化石墨烯启用的模板合成”。首先将纤维素纸浸入氧化石墨烯溶液中，然后再将其浸入由金属离子（例如铂）制成的溶液中。然后将材料在惰性气体氩气中于800°C，然后在500°C的空气中燃烧。

最终产品是由70％的铂和30％的无定形碳（灰分）组成的金属薄层（90微米（μm）或0.09mm），其柔韧性足以弯曲，折叠和拉伸。这一重大研究突破已于2019年8月28日发表在著名的科学杂志《科学机器人》上。也可以使用其他金属，例如金和银。

具有内置无线通信功能的Origami Pt机器人。（A）在0％应变下于741.8 MHz的两个Pt弹性波纹管的模拟3D辐射方向图。（B）双波纹Pt机器人的示意图，该机器人也用作可重配置的偶极天线。（C）左：可重构偶极天线在0至50％的不同压缩应变下的回波损耗。右图：共振频率是500次循环机器人致动前后压缩应变的函数。（D）发送器Pt机器人（发送信号）（左）和接收器Pt机器人（接收信号）（右）的照片。（E）脉冲信号（发送方Pt机械手已发送）被接收方Pt机械手很好地接收。发送信号的频率与接收信号的频率相同。（F）两个Pt机器人能够跨1.2米的距离进行远程通信。

小组组长助理助理陈宝仁教授在研究中使用了切成凤凰形状的纤维素模板。美国国立大学化学与生物分子工程系的陈教授说：“我们受到神话中生物的启发。就像凤凰一样，它可以被燃烧成灰烬，重生变得比以前更强大。”

在制造过程中，Yang等人使用氧化石墨烯（GO）多层层插入各种金属离子前体，然后进行高温退火和煅烧以生产高维GO结构。金属氧化物复制品包括微观纹理，独立的股线和复杂的折纸结构，具有出色的化学控制和结构复制能力。提出的GO衍生方法将提供一个新平台，以生产复杂的金属架构，作为软机器人的多功能主干。

该团队的材料可以充当机械稳定，柔软且导电的骨架，从而使机器人具备应变感应和通讯功能，而无需外部电子设备。具有导电性意味着该材料充当其自身的无线天线，从而使其可以与远程操作员或其他机器人进行通信，而无需外部通信模块。这扩大了折纸机器人的范围，例如在高风险环境（例如化学泄漏和火灾）中作为远程束缚式机器人或用作人造肌肉或人形机器人手臂而工作。

为了提高机械稳定性，他们在金属折纸结构中加入了稀薄的弹性体，以实现较大的变形能力和可逆的重构。之所以选择铂金，是因为其与金（Au）或银（Ag）相比，具有有效的结构保持性，较高的机械柔韧性和较高的导电性。该团队针对高电导率和机械柔韧性优化了Pt-弹性体骨架，以使所得的平面Pt-弹性体复合材料能够承受较大且反复的变形，这对于软机器人骨架而言是更理想的选择。可重配置的金属主干引入了多种不同的功能以形成超材料折纸机器人包括潜在的耐火性。研究小组通过允许Pt机器人与火焰直接接触以延长暴露时间（800 0 C，持续30秒）来测试此功能，相比之下，纸机器人在数秒（不到5秒）内被点燃。

Pt-弹性体骨架比纤维素纸机械手更薄更轻，但在可逆机械手致动过程中仍保持机械稳定。纸基机器人需要很大的压力变化才能伸长或收缩。，而Pt机械手只需要较低的压力变化即可。然后杨等开发了导电的Pt折纸机器人来发送和接收电磁波（EM），并用作无线通信的可重构天线。在制造之前，研究团队模拟了3-D辐射方向图，以探索Pt机器人作为辐射天线的用途，然后制造它们，科学家还展示了充当发送器和接收器的两个Pt机器人之间的无线通信。

该团队比较了工作中的五类机器人功能，以证明使用具有GO功能的Pt金属骨架相对于（1）骨架密度，（2）机械刚度，（3）能源效率，（4）应变感应功能的技术优势。（5）无线通讯能力。研究团队进一步优化了两个Pt机器人的无线通信功能，其中发送方机器人将导航指令无线传递给接收方机器人，以遵循引导路径成功绕过工程障碍。

然后，该团队使用添加的3-D制造技术扩展了该系统的应用程序，在该技术中，他们将Pt-Go-纤维素油墨与熔融沉积建模（FDM）结合在一起，以进行3-D打印金属机器人骨架成型形状。随后，他们设计了Pt机器人进行磁场远程控制。为此杨等用Pt-Go-纤维素墨水合成了一个Pt复制品，并用磁性颗粒渗透到聚合物溶液中，形成了一个磁性Pt主链。新结构包含通常的内置应变感应和无线通信功能，并增加了磁运动。磁性Pt机器人在磁驱动下可能会发生可逆的形状和身体变形，以与旋转磁场对齐向前移动。

通过这种方式，杨海涛及其同事开发了一种支持Go的模板合成协议，以生产可重构，顺应性和多功能的金属骨架，以构建金属折纸机器人。机器人具有内置的应变感应和无线通信功能。用复杂的贵金属（包括银，金和铂）制成的合成金属骨架是其纸制副本的高度结构复制。与传统的纸和塑料相比，可重构的Pt弹性骨架具有重量轻，可变形性和功率效率高的特点。

“我们尝试了不同的导电材料，最终得出了一种独特的组合，可以实现最佳的应变感应和无线通信功能。因此，我们的发明扩展了用于制造高级机器人的非常规材料库，”该研究的第一作者，化学与生物分子工程系的杨海涛博士说。

国大助理教授陈宝仁（右）和博士生杨海涛（左）及其团队创造了一种新型金属材料，用于柔软灵活的机器人。 

在他们的下一步研究中，陈副教授及其团队正在研究为金属骨架增加更多功能。一个有前途的方向是将电化学活性材料掺入到制造能量存储设备中，从而使材料本身就是其自身的电池，从而允许创建自供电机器人。该小组还在试验其他金属，例如铜，这将降低材料的生产成本。

杨等设想金属折纸机器人的实际应用包括高风险环境中的活动，用于人造肌肉和机械臂以及远程控制的不受束缚的机器人。他们的目标是利用电化学活性材料优化金属骨架，从而形成储能装置。这样的发展将丰富机器人材料库，以制造具有高功能集成的各种软机器人。