西湖大学姜汉卿团队《自然·通讯》：提出全运动模式折纸驱动器与机械臂

实现软体机械臂的多运动模式输出，是软体机器人研究领域的热点方向之一。其中，气动软体机器臂的运动模式由所设计腔道结构决定，对于每种设计个体而言，其运动模式较为单一。为实现多模式运动，部分研究人员采用多驱动单元串联或并联方法，然而，此类设计通常带来更加笨重的结构，且难以同时实现伸缩、弯曲、扭转等多种不同变形模式的解耦与可控耦合输出。进一步，不断涌现的新型驱动器实现了更为丰富的运动模式，这些新型驱动器是基于新型结构，例如：折纸结构、剪纸结构、局部约束、并联多气腔结构等。但这些新型驱动器的运动模式依然没有能够实现独立的弯曲、扭转、伸长/收缩，以及它们之间的耦合运动模式。

为了解决这一问题，西湖大学姜汉卿团队开发了一种基于折纸结构的全运动模式流体驱动单元，该单元可以实现单一驱动单元的高达7种运动模式的全运动模式集成。他们通过设计新型的折纸结构，在气源驱动下，该结构能够同时具备伸缩、弯曲、扭转三种基础运动模式，以及模式之间的任意组合。该折纸驱动单元的模块化结构可以根据实际需要进行任意组装，并构建出具有全运动模式的柔性机械臂，从而解决了现有柔性机械臂工作空间小、运动模式单一等问题，提高了柔性机械臂的灵活性和通用性。这项研究成果于7月19日在Nature Communications上发表，论文题目为“Plug & Play Origami Modules with All-Purpose Deformation Modes”。西湖大学姜汉卿实验室访问学生张超与西湖大学博士后张壮为本文共同第一作者。姜汉卿教授为本文通讯作者，浙江大学徐彦教授为共同通讯作者。本研究获得了国家自然科学基金以及西湖大学相关经费支持。

折纸结构因其具有较大的折展比、多稳态以及多刚度等丰富的力学特性，近年来受到机器人学界的普遍关注。然而传统的折纸结构大多具有固定的运动模式，例如：Kresling折纸结构具有扭转-收缩的耦合运动模式，Miura折纸结构具有平面内X和Y方向的折展运动模式，Yoshimura折纸结构具有沿轴向的折展运动模式。许多最新的研究试图将折纸与软体机器人结合起来，以实现更丰富的运动模式和更大的工作空间。然而，现有的折纸驱动单元或机器人大多基于已有的折纸结构，其运动能力受折纸本身的折叠特性限制，输出运动通常都是固定的，因此并未在本质上增加软体机器人的运动模式。所以，如何增强软体/折纸机器人的运动能力，使其同时具备伸缩、弯曲、扭转等多种运动模式，是当前学界和业界面临的挑战，也是这类柔性机器人能否在日常应用中得以广泛应用的关键因素。

在姜汉卿团队的研究中，他们在传统的Kresling折纸单元中增加了额外的对角线折痕，形成了新的折纸单元，然后在新的折纸单元上集成微小气囊，共同形成了可以独立控制的充气单元。通过对充气单元进行充气和放气，可以有效地控制Kresling折纸结构的局部约束，使得单个Kresling单元能够实现收缩-扭转耦合运动和弯曲-扭转耦合运动之间的可控切换。在此基础上，他们将两层手性相反的Kresling单元叠加在一起，并通过各单元的充放气组合，实现了扭转、伸缩、弯曲以及这些基础运动模式的任意组合。

在此基础上，研究团队证明了这种设计可以用于构建复杂的柔性机械臂，即通过预设的螺栓螺孔结构相互连接，以串联形式呈现模块数量可调的机械臂，使得所构造机械臂运动模式丰富多样、工作空间可调。

以下是所设计折纸驱动单元的主要特点：

（1）单一驱动单元能够输出全部变形模式，具有十分灵活的运动能力；

（2）即插即用（Plug & Play）功能：驱动单元的模块化结构使其可根据应用需求任意串联，进而形成多种柔性机械臂，机械臂的工作空间可通过增加驱动器模块数量来进行拓展；

（3）该驱动单元和机械臂可采用所有流体介质作为驱动源（包括多种气体与液体），使其既可满足陆地/空中应用，也可满足水下操作需求。

博士后招聘

因科研和团队发展需要，西湖大学工学院姜汉卿实验室欲招收机器人相关领域与柔性电子相关领域博士后各2名；机器人与机械电子工程方向科研助理2名。

待遇方面将根据个人科研工作能力和博士后有关规定从优发放。课题组将提供稳定的工作环境与一流的研究平台，协助申报青年基金及博士后相关项目，并根据兴趣与需求支持个人的职业发展。

详情请见课题组主页：

https://jiang.lab.westlake.edu.cn/

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39980-7

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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