瓢蟲翅膀通過(guò)精妙的節(jié)肢彈性蛋白和翅脈布置使柔軟的薄膜翅膀同時(shí)具有能量存儲(chǔ)和自鎖的功能。前者使翅膀可以在100毫秒內(nèi)迅速展開,后者可以讓翅膀在飛行過(guò)程中承受巨大的氣動(dòng)力。在不使用時(shí),這種薄膜翅膀還可以緊密折疊回收至甲殼之下。

瓢蟲機(jī)器人登上《Science》頭條!未來(lái)可進(jìn)行搜索偵查等任務(wù)

PNAS, 2017, 114(22).

相比于令人驚嘆的自然構(gòu)造,傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)至今仍無(wú)法有機(jī)地結(jié)合上述特性。可收縮管狀外伸構(gòu)件(Storable tubular extendible member, STEM)盡管具有良好的能量存儲(chǔ)和自鎖特性,然而卻較難平整地折疊儲(chǔ)存;折紙結(jié)構(gòu)(origami)盡管提供了緊湊且輕巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),然而缺乏能量存儲(chǔ)和自鎖能力。加裝額外的輔助性構(gòu)件雖然可以解決這一問(wèn)題,但是需要犧牲origami的緊湊性。

造成origami上述問(wèn)題的根源就在于傳統(tǒng)的origami結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將結(jié)構(gòu)基元視為高硬度材料,它們通過(guò)低硬度的柔軟關(guān)節(jié)連接在一起從而實(shí)現(xiàn)折疊。然而柔軟關(guān)節(jié)和高硬度基元在折疊和伸展均不具備儲(chǔ)能和自鎖的特性。

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選作亮點(diǎn)論文在Science官網(wǎng)滾動(dòng)報(bào)道

近日,韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)(Seoul National University,SNU)的Kyu-Jin Cho教授研究團(tuán)隊(duì)受瓢蟲翅膀啟發(fā),設(shè)計(jì)了一種以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)彎曲薄片為結(jié)構(gòu)基元,抗撕裂面料為柔性連接的柔性origami結(jié)構(gòu)。彎曲的PET基元同時(shí)提供了儲(chǔ)能和自鎖性能,并且被折疊平整的PET基元可在116毫秒內(nèi)完全展開,展開后的origami結(jié)構(gòu)可承受150倍于自身重量的荷載。這一設(shè)計(jì)策略有效解決了origami結(jié)構(gòu)不儲(chǔ)能、不自鎖的固有問(wèn)題,為可伸縮滑翔翼和origami彈跳機(jī)器人等應(yīng)用提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間。該工作以“Ladybird beetle-inspired compliant origami”為題發(fā)表在Science Robotics上。韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的Kyu-Jin Cho教授為唯一通訊作者。

來(lái)看下這個(gè)瓢蟲機(jī)器人有多酷:

瓢蟲機(jī)器人被人從高空釋放,自行展開翅膀,飛行,落地后自行折疊翅膀,爬行

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遇到跳臺(tái),打開翅膀飛行

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瓢蟲啟發(fā)的柔性origami結(jié)構(gòu)

 

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圖 1 瓢蟲啟發(fā)的origami的結(jié)構(gòu)、原理和制備流程

瓢蟲啟發(fā)的柔性origami結(jié)構(gòu)及其靈感來(lái)源如圖1所示,其具體的制備流程如下:

1)通過(guò)激光切割在兩片PET薄片上切割定位針孔,并在涂有熱敏膠的一邊切割出折疊線;

2)在抗撕裂面料上用激光切割出定位針孔;

3)疊放PET薄片和抗撕裂面料;

4)將疊放好的origami結(jié)構(gòu)放入模具中;

5)加熱加壓模具至110?oC,1 MPa并保持5分鐘;

6)冷卻至室溫并取出;

7)裁剪結(jié)構(gòu)輪廓。所得柔性origami結(jié)構(gòu)有正向和反向折疊兩種模式,其折疊力矩的峰值具有非對(duì)稱性,兩個(gè)峰值之間即為柔性origami結(jié)構(gòu)的自鎖區(qū)域,其自伸展所需能量來(lái)源于折疊過(guò)程中柔性基元展平時(shí)儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能。

 

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圖 2 origami結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和性能表現(xiàn)

 

柔性origami結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括薄片寬度(w)、厚度(t)和彎曲半徑(r)。在設(shè)計(jì)origami結(jié)構(gòu)時(shí),主要關(guān)心的性能包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量(mass)、最大形變(strain)、自鎖力矩(locking moment)和能量存儲(chǔ)(energy)。各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響如圖2所示。為滿足設(shè)計(jì)要求,可先優(yōu)化厚度,再基于質(zhì)量和最大形變的要求對(duì)薄片寬度和彎曲半徑進(jìn)行調(diào)整。

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圖 3 基于origami結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可伸縮滑翔翼

通過(guò)疊放兩片柔性origami結(jié)構(gòu),并調(diào)整其長(zhǎng)度和相對(duì)位置,可將origami結(jié)構(gòu)的正向和反向折疊力矩差異擴(kuò)大至6倍,從而實(shí)現(xiàn)正向易折疊,反向承受氣動(dòng)力的特性?;谏鲜鲈聿⒉捎脝屋S旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定柔性origami結(jié)構(gòu),可以制備可高度折疊(折疊后尺寸僅為原來(lái)的1/8)、多運(yùn)動(dòng)模式、自伸展、輕量化的滑翔翼。此類滑翔翼不再需要輔助構(gòu)件幫助伸展或鎖定機(jī)翼,因而有效減輕了重量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,提高了飛行時(shí)的能量利用效率和可靠性。

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圖 4 基于origami設(shè)計(jì)的彈跳機(jī)器人

傳統(tǒng)的跳蚤機(jī)器人的連接關(guān)節(jié)不具有儲(chǔ)能的特性,因而在彈跳時(shí),彎曲的關(guān)節(jié)并不能為跳躍提供能量支持。將構(gòu)成跳蚤機(jī)器人的結(jié)構(gòu)單元替換成柔性origami結(jié)構(gòu)后,折疊成薄片的origami結(jié)構(gòu)不僅僅將能量存儲(chǔ)于橡膠繩中,其結(jié)構(gòu)基元也同時(shí)儲(chǔ)存了能量,因而跳躍高度比傳統(tǒng)的跳蚤機(jī)器人高出了50%。

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總結(jié)

本文提供了一種全新的origami結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,并探討了相關(guān)的力學(xué)原理和應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)改變?nèi)嵝詏rigami基元的形狀,可以讓origami結(jié)構(gòu)同時(shí)具有儲(chǔ)能和自鎖的特性,進(jìn)而降低對(duì)輔助結(jié)構(gòu)的依賴性。然而本文僅探討了一種彎曲結(jié)構(gòu),其它可能的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步探索。此外,在應(yīng)用過(guò)程中,如何實(shí)現(xiàn)能量的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)和釋放以及結(jié)構(gòu)形態(tài)的動(dòng)態(tài)控制仍然是有待解決的問(wèn)題。

原文鏈接

https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz6262

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