根據(jù)3D科學谷的市場觀察，如今，大多數(shù)軟機器人都依賴于外部動力和控制，其中鉸接式軟機器人是具有軟硬部分的機器人，其靈感來自脊椎動物的肌肉骨骼系統(tǒng)-從爬行動物到鳥類再到哺乳動物再到人類。順應性通常集中在致動器，傳動裝置和關節(jié)（對應于肌肉、肌腱和關節(jié)）上，而結構穩(wěn)定性則通過剛性或半剛性連接（對應于脊椎動物的骨骼）來提供。

現(xiàn)在，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院 (SEAS) 和加州理工學院的研究人員開發(fā)出受折紙啟發(fā)的軟體機器人系統(tǒng)，可以響應外部刺激而移動和改變形狀，為完全不受束縛的軟體機器人鋪平了道路，該研究發(fā)表在《科學機器人》上。

Lori Sanders/Harvard SEAS

模糊了材料與機器人的界限

其核心原理是3D 打印的活動鉸鏈可根據(jù)熱量改變形狀，當溫度從環(huán)境溫度升高到 100°C到 150°C（底部鉸鏈啟動）時，該設備展示了順序折疊。圖片來源：Lori Sanders/Harvard SEAS

根據(jù) Jennifer A. Lewis 博士，將活性材料集成到 3D 打印物體中，能夠設計和制造全新類別的軟機器人材料。

研究人員轉(zhuǎn)向折紙來創(chuàng)造多功能軟機器人，通過連續(xù)折疊，折紙可以在單個結構中編碼多種形狀和功能。研究小組使用被稱為液晶彈性體的材料，在受熱時會改變形狀，3D 打印了兩種類型的軟鉸鏈，它們在不同的溫度下折疊，因此可以編程以按特定順序折疊。

通過3D 打印活動鉸鏈方法，對溫度響應、鉸鏈可以施加的扭矩量、彎曲角度和折疊方向具有完全的可編程性。哈佛大學和加州理工學院的制造方法有助于將這些活性成分與其他材料相結合。

自折疊“Rollbot”為完全不受束縛的軟機器人鋪平道路

為了演示這種方法，團隊構建了幾個軟設備，包括一個綽號為“Rollbot”的不受束縛的軟機器人。自走式 Rollbot 最初是一塊平板，長約 8 厘米，寬約 4 厘米，放置在熱表面上時會卷曲成一個五邊形的輪子。嵌入車輪五個側面的鉸鏈在與表面接觸時折疊，推動車輪轉(zhuǎn)向另一側。當鉸鏈從熱表面滾落時，它們會展開并為下一個循環(huán)做好準備。

Lori Sanders/Harvard SEAS

使用鉸鏈可以更輕松地對機器人功能進行編程并控制機器人如何改變形狀，通過3D打印使得變形可控，與其讓軟機器人的整個身體以難以預測的方式變形，通過3D打印只需要編程結構的幾個小區(qū)域以設置如何響應溫度變化。

許多現(xiàn)有的軟機器人需要連接外部電源和控制系統(tǒng)，或者受到它們可以施加的力的限制。3D科學谷了解到這些3D打印的主動鉸鏈很有用，因為它們允許軟機器人變得更加“自主可控”，并且可以提升比鉸鏈重許多倍的物體。

自我驅(qū)動

一種設計展示了順序折疊，它可以在加熱時折疊成類似于回形針的緊湊折疊形狀，冷卻時可以自行展開。

另一種設計，當放置在炎熱的環(huán)境中時，可以折疊成類似于回形針的緊湊折疊形狀，并在冷卻時自行展開。

這些不受束縛的結構可以被動控制，科研人員需要做的就是將結構暴露在特定的溫度環(huán)境中，這些結構將根據(jù)科研人員對鉸鏈進行編程的方式做出響應。

雖然這項研究只關注溫度響應，但液晶彈性體也可以通過編程來響應光、pH、濕度和其他外部刺激。

根據(jù)3D科學谷的了解，這項工作展示了響應聚合物在復合材料中的組合如何導致材料具有自我驅(qū)動能力以響應不同的刺激。未來，這些材料可以通過編程來執(zhí)行更復雜的任務，這模糊了材料和機器人之間的界限。

這項研究得到了陸軍研究辦公室、哈佛材料研究科學與工程中心、美國國家科學基金會和美國宇航局空間技術研究獎學金的支持。