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研究背景

根據(jù)機器人所使用的材料，可以將目前的機器人分為剛性機器人與軟體機器人。相對于剛性機器人，軟體機器人擁有更大的自由度，在靈活性上具有較大的優(yōu)勢。在過去的幾十年中，研究人員研究出了各種軟體機器人，實現(xiàn)了許多傳統(tǒng)機器人所難以實現(xiàn)的功能，如柔性抓取，仿生爬行等。軟體機器人的驅(qū)動源也多種多樣，包括氣動，介電，化學(xué)物質(zhì)和折紙等。

折紙作為一門從二維到三維映射變換的藝術(shù)，是一種從平面到空間非光滑復(fù)雜曲面的拓撲同胚變換。折紙折痕的拓撲形式，以及折紙機構(gòu)方式變化，在各個研究領(lǐng)域中都一直受到研究者們的高度關(guān)注。其中，一類構(gòu)型的折紙由Birtua Kresling提出，領(lǐng)域內(nèi)將其命名為Kresling折紙構(gòu)型，自然，相應(yīng)的折紙驅(qū)動單元被命名為為Kresling驅(qū)動單元。折紙機器人的機器人又分為：磁驅(qū)，氣動，電磁電機，形狀記憶合金式等。去除引線的束縛，磁驅(qū)的方式因為可以無線控制大大拓展了這類型機器人的運動場合。

針對于醫(yī)療微創(chuàng)輔助設(shè)備應(yīng)用較為缺乏研究的前提下，研究團隊提出了一種基于Kresling驅(qū)動單元的磁驅(qū)折紙爬行機器人。為了拓展該類型機器人對不同地形的適應(yīng)性，團隊將該機器人的運動設(shè)計仿生于自然界的尺蠖昆蟲，加之磁場驅(qū)動的優(yōu)勢，將其進行了結(jié)構(gòu)小型化設(shè)計，使其具有基本的爬行和轉(zhuǎn)彎能力同時，也具備藥物儲存和釋放的功能性，可應(yīng)用于微創(chuàng)輔助設(shè)備，大大拓展了該類型機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

創(chuàng)新點

斯坦福大學(xué)的Ruike Renee Zhao團隊報道了一種磁控式的折紙機器人。該團隊在這項工作中通過有限元分析以及理論上推導(dǎo)和驗證了爬行磁驅(qū)軟體機器人上運動時所需的扭矩值，然后通過磁場控制對爬行機器人的扭矩進行控制，以實現(xiàn)對爬行機器人的前進和轉(zhuǎn)向運動。同時，磁驅(qū)的優(yōu)勢在于可以提供無線驅(qū)動，從而實現(xiàn)機器人的小型化和綠色能源化的機器人設(shè)計。最后，團隊通過實驗展示了機器人的藥物儲存和釋放能力，以此說明了所提出的機器人可以勝任醫(yī)療微創(chuàng)輔助設(shè)備的工作，如運輸和釋放藥物進行靶向治療。

文章解析

文初，結(jié)合有限元仿真，團隊對Kresling驅(qū)動單元的爬行機器人的結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹，其中包括Kresling驅(qū)動單元的驅(qū)動原理，輸出扭矩。其中，爬行機器人如圖1所示圖片

圖1：基于Kresling驅(qū)動單元爬行機器人構(gòu)型：(A) Kresling驅(qū)動單元示意圖；(B) 由兩個具有反向折痕方向的驅(qū)動單元制成的偶極子示意圖；(C) Kresling驅(qū)動單元的扭矩實驗測量曲線；(D) 由兩個Kresling驅(qū)動偶極子制成的爬行機器人示意圖；(E) Kresling爬行機器人驅(qū)動所有單元所需的扭矩；(F) 對所有驅(qū)動單元同時收縮時的有限元仿真驗證結(jié)果。

根據(jù)以上機器人實現(xiàn)運動所需的扭矩分布結(jié)果，團隊對應(yīng)布置了了四個磁化方向，用于分配爬行機器人的扭矩，以實現(xiàn)機器人的運動：

圖2：爬行機器人的磁力驅(qū)動機構(gòu)； (A)爬行機器人樣機；(B) 初始狀態(tài)和收縮狀態(tài)下的機器人結(jié)構(gòu)和磁化示意圖；(C)機器人收縮期間單元之間的扭矩比；(D) 40 mT 磁場強度下的機器人收縮示意圖；(E) 不同磁場強度下機器人收縮百分比值

在搭建完磁場后以及對機器人的收縮長度進行研究之后，團隊展示了機器人在不同磁場強度下爬行機器人的運動特性，其中包括爬行機器人的步距和速度特性：

圖3：機器人的爬行機構(gòu)；(A)爬行機器人在 40 mT 磁場強度下的單步步距；(B) 不同磁場強度和頻率下爬行運動的幅值和 (C)速度特性

在初步驗證該機器人具有初步運動的能力后，團隊開始對提出的爬行機器人更為復(fù)雜的運動進行相應(yīng)控制，讓機器人按照既定的路線進行跟隨爬行運動，包括轉(zhuǎn)彎和循跡：

圖4：爬行機器人的轉(zhuǎn)向和導(dǎo)航；(A) 爬行機器人的轉(zhuǎn)向原理；(B) 爬行機器人按照既定時間沿 “Z”路徑進行循跡；(C) 機器人按照既定時間沿“O”形路徑進行循跡

圖5：爬行機器人的各向異性特性；(A) 軸向和橫向壓縮施加示意圖；（B）在不同磁場下沿軸向的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（C）在不同磁場下沿橫向的的壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(D)在密閉空間中爬行的示意圖；(E) 前進運動

文末，團隊開展了爬行機器人運輸藥物的實驗，以此來說明該類型機器人具備微小型藥物的運輸和釋放能力，面向微創(chuàng)輔助設(shè)備，可以進行靶向治療：

圖 6.爬行機器人的藥物運載和釋放示意圖（藍色為藥丸）；(A) 帶通孔結(jié)構(gòu)的改進型爬行機器人的示意圖，通孔用于放置藥丸；(B) 爬行機器人在初始狀態(tài)和收縮狀態(tài)下的藥丸位置；(C) 所運載的藥丸逐漸溶解在水中的過程示意圖

讀后感

基于上述特點，折紙機器人未來將在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療救援、軍事探測等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。團隊在本設(shè)計上，提出了一種可以運輸和釋放藥物的磁驅(qū)式折紙機器人，使其在醫(yī)療微創(chuàng)輔助設(shè)備的應(yīng)用上有很大的應(yīng)用空間和工程背景。然而，這類型的折紙機器人在極端環(huán)境因素下的動態(tài)特性（如變形、穩(wěn)態(tài)頻響和瞬態(tài)響應(yīng)特性），目前還不得而知。此外，其極端力學(xué)特性在極端環(huán)境因素作用下，其響應(yīng)會發(fā)生變化，此時其理論建模，分析和實驗也需要進一步去探索。