神奇！哈佛大学和麻省理工学院研发的自动折叠机器人，4 分钟变身，能跑能动还能救生

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怎样才能把一张纸变成一个奔跑、移动的机器人呢？

你一定想到了，折叠起来吧！

一块看似普通的塑料平板在4分钟内自动折叠并“变身”为一个奔跑移动的机器人。这不是魔术，而是哈佛大学和麻省理工学院研究人员展示的奇妙场景。

就像变形金刚一样，它可以折叠起来并自行行走。它体积小，威力大，还可以参与救生！

哈佛大学和麻省理工学院多次合作开发了多种折纸机器人，比如这个：

或者这个：

可见，古老的折纸艺术对于这些科学家来说有多么的吸引力。

这种自动折叠机器人的研究成果发表在《》杂志上。机器人每次变形仅需4分钟即可完成最终状态变化，并且不需要人力的帮助；电池供电后，它可以每秒5厘米的速度移动。它可以自动爬行和转弯。研究人员表示，折纸机器人检测密闭空间的能力尤其出色。它可以在变身为全尺寸之前顺利穿过狭窄的缝隙或隧道，进入灾区倒塌的建筑物执行搜救任务。

自折叠的秘密：形状记忆复合材料

该机器人由五层激光材料制成，包括两层外层塑料、两层纸内层和一层带有铜电路的形状记忆复合聚酰亚胺。

这种类似三明治的材料方法可以使用激光在要进行连接的地方进行切割。当嵌入的铜电路被加热时，它们周围的形状记忆聚合物会收缩。根据切割的位置和方式，这种收缩可以实现折叠。角度达到120度，所有可折叠部分均可自由反复弯曲。

折纸结构的设计和组装

机器人的材料并不难找，可以在玩具店买到，只要100美元。困难的部分是折纸结构（由计算机程序完成）和分层结构的设计，需要大量的准备工作（打印、粘合、激光切割等），并且电机、电池和一些电子元件都需要准备好。需要手动安装，因此需要一系列步骤，大约需要2个小时。

复合材料完成后，最后的组装步骤是使用 3D 打印的电机支架和一些螺钉将电池、电机和微控制器组装到机器人上。微控制器负责在正确的时间通过一系列嵌入式电阻迹线发送电流。 ，以确保折叠过程以正确的顺序进行。为了实现正确的设计，研究人员对机器人的结构进行了 40 多次迭代。

总体而言，使用该技术创建结构折叠的成功率约为 97%。研究人员尝试建造了三台机器人，但只有一台成功，这对机器人的折叠精度要求很高。

在测试过程中，折纸机器人由微处理器和小型发动机控制。外部热敏聚合物被加热并折叠。在没有人力的帮助下，折纸机器人从扁平状态变成了每秒可以四条腿站立的四足机器人。它以5.4厘米（每秒0.43个身体长度）的速度行走，每秒旋转约320度。

未来可转换技术将变得快速且廉价

哈佛大学机器人学家、《机器人学》资深作者罗布·伍德表示，折纸机器人最终将成为像 3D 打印一样的可变形技术，因为制造此类机器人的所有材料都很容易获得，只需使用像这样的工具就可以设计出不同的形状。激光切割机、建筑机器人将变得廉价且快速。

这种简单、灵活、快速的设计方法类似于3D打印技术。非常适合100到1000个产品的生产过程。它比传统的制造方法更快。未来，你可以去商店使用专门的设备来制造你想要的东西。机器人。

具有变形能力的折纸式机器人指尖

使用一对设计用于变形的指尖执行示例抓握。

为了执行涉及移动或搬运物体的任务，机器人应该根据这些物体的属性及其周围环境快速调整其抓取和操作策略。然而，迄今为止，大多数机器人手都具有固定且受限的结构；因此，它们可以执行的动作数量有限，并且只能抓取特定类型的物体。

香港科技大学的研究人员最近开发了一种机器人指尖，可以改变其形状并切换成三种不同的配置，使其能够抓取更广泛的物体。在今年的国际自动化科学与工程会议 (CASE) 上发表的一篇论文中概述了指尖的独特设计，其灵感来自于日本著名的折纸艺术折纸。

“我们的研究受到当前研究和工业应用中两个常见观察结果的启发，”进行这项研究的两名研究人员张子成和张亚增通过电子邮件告诉美国有线电视新闻网。 “第一个与过去对平行夹具开发的研究有关，这可能有助于工业自动化。这些夹具需要仔细选择抓取点，否则可能无法实现静态平衡。

几十年来，研究人员一直在尝试开发控制机器人抓手的技术。然而，大多数现有方法都存在很大的局限性，导致它们无法在不同对象之间很好地泛化。 Kan、Zhang 及其同事进行的研究的第一个目标是开发一种可操作的指尖，可以执行各种姿势。

Kan和Zhang说：“过去启发我们研究的另一个观察结果是，为了稳定抓取，工程师必须设计一种固定在平行夹具上的特定钳子，以进行拾取和放置等操作。” “当装配线上的材料改变为不同形状时，这是非常繁琐的，这导致手动更换夹具效率低下。我们创造的可变形指尖有助于缓解或克服这个问题。

Kan、Zhang 及其同事创建的机器人指尖设计基于他们之前研究中介绍的其他机器人结构。例如，2019 年，研究人员使用扁平指尖制作了一种折纸式的一体式软抓取器。虽然这种夹具也会变形和改变形状，但由于指尖的平坦和柔软，其有效负载和灵巧性较差。

“我们课题组的博士生宋浩然先生此前也发表了一篇关于接触面聚类的论文，展示了三种典型的接触基元用于表示主要的局部几何形状。”阚和张说。 “这些安装在平行夹具上的指尖在不同的物体上进行了测试，显示了夹具的可行性和稳定性。这篇论文启发我们设计了一种可变形的指尖，其特点是三种接触基元之间的形态结构。

由香港科技大学阚、张及其同事开发的新型折纸形变形指尖有两个主要组成部分：用作指尖变形表面的软折纸骨架和充当指尖变形表面的电机驱动四杆连接。作为驱动和传动机构。

以三种变形模式接触指尖的基元。

研究人员在指尖中心放置了一个球形接头，以允许在三个维度上自由旋转并支撑顶面。此外，他们还使用伺服电机（一种旋转执行器）来独立控制放置在软折纸骨架上的四个叶子表面。

Kan和Zhang解释说：“每个叶片表面上不同姿势的组合使得多种配置能够实现不同的抓握模式，例如冲孔、凹面和倾斜平面模式。”我们的运动模型可以模拟和预测这些模式。

研究人员评估了指尖在有效的机器人抓取过程中可以实现的三种变形模式。例如，他们测试了用于旋转和捏握的凸形图案、用于执行动力抓握的凹形图案以及用于手动操作和重新定向的倾斜平面图案的有效性。

总的来说，他们发现他们开发的指尖具有许多有利的功能，包括能够在原始和不同变形的抓取模式之间快速移动，以及根据手头的任务在稳定和灵巧的抓取模式之间快速移动。他们使用运动模型有效地模拟和引导指尖的配置。

配置空间内的轨迹跟踪。

“我们推出了一种新的解决方案，可以满足机器人抓取的适应性和灵活性要求，并且可以应用于学术和工业环境，而不会产生额外的额外成本，”阚和张解释道。我们的设计 未来的工程可以通过尝试用紧凑、可控和可变形的指尖解决这些问题来指导。

未来，阚、张及其同事设计的可变形指尖可以集成到许多现有和新开发的人形机器人中。由于它的成本相对较低，制造成本约为 5 美元（不包括控制板），因此它可以帮助实现装配线流程的自动化，从而降低根据现有夹具可以操作的方式改变产品形状的成本。

虽然该研究团队创建的指尖取得了非常有希望的结果，但在商业化之前仍然存在一些问题需要解决和测试。例如，目前其实际性能与运动模型的预测之间存在差异，Kan、Zhang 和同事计划在未来的工作中通过稍微改变其设计和制造工艺来解决这一问题。

“我们未来计划研究的另一个领域是小型化，使用更小的电机和更紧凑的结构，以便指尖可以轻松集成到机器人手中，”阚和张说。另外，目前该结构在变形过程中采用开环控制策略。传感对于实际应用中强大的最终效应器起着重要作用，因此我们将来也会尝试添加此功能。

来源：工业工程学习企鹅、电子爱好者机器人大讲堂

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