新型软体机器人：模仿蛇的爬行方式，鳞片由剪纸制成

近日，美国哈佛大学约翰保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研团队开发出一种软体机器人，它无需依赖任何刚性元件，爬行的原理非常像蛇，它的鳞片是采用剪纸术制成。

背景

没有四肢，却可以行走？蛇就是这样一种爬行动物。

（图片来源：维基百科）

身体光滑，布满鳞片。蛇或直线行走，或曲折前进，既可挤进狭窄空间，也可爬树游泳。爬行速度最高可达每小时14英里。

那么，蛇又是如何做到这一切的呢？

这一切都离不开它的鳞片。运动时，蛇会利用鳞片来抓紧地面，推动身体前行。这有点像鞋底钉，它可以帮助登山运动员在光滑的冰块上找到立足点。由于蛇鳞的形状和布局，这种摩擦力辅助下的运动才得以实现。

创新

近日，美国哈佛大学约翰保尔森工程和应用科学学院（SEAS）的科研团队开发出一种软体机器人，它无需依赖任何刚性元件，爬行的原理非常像蛇，它的鳞片是采用剪纸艺术制成的。剪纸艺术不同于折纸艺术，改变材料的特性依靠的是剪切，而不是折叠。当机器人伸展时，扁平的剪纸表面会转化为三维织纹表面，像蛇鳞一样抓住地面。

(图片来源：AhmadRafsanjani/HarvardSEAS)

相关论文发表于《ScienceRobotics》杂志。

技术

研究人员从一张简单的平面塑料纸开始，然后使用激光切割机，嵌入一组厘米级的切痕，并实验不同的形状和尺寸。一旦经过剪切，研究人员将塑料纸包覆住如同管子一样的弹性体致动器，而这种致动器像气球一样，填充空气后会膨胀开来。

当致动器充气时，剪纸切掉了突出部分，形成一个粗糙表面，抓住地面。当致动器泄气时，切痕折叠成平面，推进机器人前进。

研究人员通过将便携式的控制、感知、制动和电源模块，包装进微型的尾巴中，构建出这种完全自由行动的机器人。他们在哈佛大学校园中，进行了机器人的爬行测试。

(图片来源：AhmadRafsanjani/HarvardSEAS)

团队实验了各种形状的切痕，包括：三角形、圆形、梯形。他们发现梯形切痕，最接近蛇鳞的形状，使得机器人的移动幅度达到最大。

(图片来源：HarvardSEAS)

SEAS的博士后研究员、论文的第一作者AhmadRafsanjani表示：我们展示了，通过恰当地平衡几何切割形状与致动协议之间的关系，可以利用些剪纸皮肤的运动特性。进一步说，这些组件可进一步优化，从而改善系统响应。

价值

Rafsanjani表示：最近这些年，许多研究都是关于如何制造这种可形变、可伸展的结构。我们展示了，剪纸原理可以结合到软体机器人中，使机器人的运动方式更简单、更快速、比最近的技术更便宜。

应用力学教授、论文高级作者KatiaBertoldi表示：我们相信，我们发明的基于剪纸的方案，为新型软体爬行器的设计开辟了道路。这些全地形的软体机器人有望穿越最艰难的环境，开展探索、检查、监测和搜救任务，或者进行复杂的腹腔镜医疗手术。