加州大学开发自动折叠‘起重机’，利用智能材料为折纸机器人迎来新时代

导读

自然界中的生物可以使其身体变形以适应运动和环境。例如，瓢虫控制机翼的折叠，松果则可以根据环境的湿度进行折叠和展开以控制种子的分散。这种启发使折纸机器人成为机器人设计中的新前沿领域。折叠式组装的简单性和低成本也是折纸机器人的优势。美中不足的是，这种制造方式具有一个主要缺点：折叠操作时必须依赖外部电线和电池提供动力。要克服这一难题，智能材料的开发是一个不错的方向。

加州大学圣地亚哥分校的生物启发机器人与设计实验室诞生了无数伟大又奇妙的仿生机器人。这不，最近他们利用液晶弹性体设计了一种自动折叠机器人，加热时会像人造肌肉一样收缩，还把它叠成了不同的形状。

这像不像我们小时候叠的纸葫芦，别看它长得小小的，它能抬起比自身重38倍的重量，研究人员管它叫做起重机。

坚韧的同时不失美感，一朵百合花缓缓绽放。

将三个起重机逐一收缩，连起来就变成了爬行机器人。

‘起重机’的背后是智能材料

首先给大家科普什么是液晶弹性体，它是一种轻微交联的液晶聚合物网络。在磁场、电场、温度或预拉伸的影响下能够进行可逆的变形。由于它们的致动特性，液晶弹性体常常被用来制作软机器人或人造肌肉，是非常有吸引力的候选者。

研究人员选择用加热的方式驱动液晶弹性体，利用光刻技术将加热层嵌入了液晶弹性体中。‘起重机’的折叠结构是一种称为Sarrus联动的机制，可以使单个驱动肌肉可以在两个方向上折叠。图中红色和蓝色的箭头分别表示致动器的加热和冷却状态。当液晶弹性体被加热时，致动器处于弹出状态；材料被冷却后，致动器自动缩回扁平状。

看看它的动态响应。

‘起重机’的收缩与液晶弹性体的加热时间有关，研究人员发现，当加热到30s左右，材料的应变能力达到峰值，‘起重机’完全展开，折叠角最大为64°；当加热停止时，液晶弹性体开始立刻松弛，但要达到完全松弛状态需要2分钟。

‘起重机’的负重能力随温度的增加而增加。在启动状态，眨眼间便可抬起20g的负载。

研究人眼预测它的最大负载能力可达到700g，但在施加200g的重量时，顶层材料开始倾斜使重物掉落，即便如此，这对于仅一层智能材料的负重能力来说也很优秀了。

看看它在100g负重下的表现

爬行机器人的运动原理

爬行机器人的灵感来源于毛毛虫的逆行蠕动，毛毛虫利用其关节的收缩与松弛以及刚毛的摩擦力产生运动。

研究人员将三个‘起重机’模块连接组成爬行机器人，并分配每个模块的收缩与松弛序列。连接在一起的模块在启动时会互相约束，因此发生倾斜。

当第一个模块收缩并倾斜时，它就开始将运动波传播到第二个模块，第二个模块收缩并倾斜使它就充当爬虫的锚点（高摩擦力点），这时第一个模块松弛下来，第三个模块收缩成为锚点，而前两个模块一起松弛，是机器人产生运动。这种行为使机器人的运动方向与驱动顺序相反，例如，从第一个模块开始驱动时，机器人向后爬行了17mm；而从第三个模块驱动，机器人则向前爬行了10mm。

总结与展望

从折纸艺术中汲取灵感的机器人和机构设计具有产生紧凑，可部署，轻型的变形结构的潜力，正如自然界所看到的那样，可应用于搜救，航空航天系统和医疗设备中。然而，要获得可图案化，可逆并以可扩展的制造工艺制造的自动折叠机的致动装置是具有挑战性的。在这项工作中，液晶弹性体（LCE）作为人造肌肉，通过逐层过程获得肌腱驱动的驱动力，并使用Sarrus链接机制生成可逆的自折叠模块。通过三个模块制作了自折叠爬行机器人。

液晶弹性体制作折叠机器人的最大的挑战在于，它的致动是热驱动的，因此从激活到松弛的时间过长，也不利于节能。未来的工作集中在调整液晶弹性体的性能上，以使其达到较低的转变温度。

论文直通车

Minori, A. F., He, Q., Glick,P., Adibnazari, I., Stopol, A., Cai, S., & Tolley, M. T. (2020). "Reversible actuation for self-folding modular machines using liquid crystalelastomer". Smart Materials and Structures.

https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab9fd6

https://sites.google.com/eng.ucsd.edu/bioinspired/research

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