Nature Communications：大规模制造折纸机器人

发布人：王清源 发布日期：2022-07-28

研究背景

能够对外部刺激(如温度、pH值、光、磁场和电场)作出反应而变形和运动的软体活性机器在不同的领域有很大的前景，如微型手术设备、执行器、 软体机器人和柔性电子。其中，磁驱动由于其无束缚控制、快速响应和大的穿透范围而被广泛采用。尽管已经提出了各种制造软磁动机器的策略(例如， 模板成型，基于挤压的3D打印，激光打印，体素组装和转移打印)， 许多现有的制造方法要么可以实现低结构复杂性，要么是一个耗时的过程。例如，模板成型方法可能只能做出二维结构，而基于挤压的3D打印由于复合墨水的粘度和模具膨胀而无法打印复杂的结构。激光编程方法通常需要相对较长的时间来编码大面积的磁极性图案。因此，快速制造具有定制结构的软磁活性机器人仍然是一个尚未解决的挑战。
由于具有出色的可定制性，折纸已被广泛用于构建三维结构。通过利用折叠过程，折纸将平面板材转化为三维结构，赋予其固有的形状可编程性和形状变形能力。当与刺激反应性相结合时，折纸结构在开发功能和自主系统方面显示出巨大的潜力，这为设计软磁活性机器提供了一个窗口。赋予折纸以磁性反应能力的一个简单方法是将永久磁铁直接粘在折纸上。到目前为止，还没有任何一种制造方法可以利用结构的复杂性、柔软性、分辨率和大规模快速生产磁性折纸机器人。

 

研究成果

能够进行磁控变形和运动的软磁活性机器具有多种有前途的应用，如无绳的生物医学机器人。然而，现有的软磁活性机器往往结构简单，功能有限，并且由于复杂的制造技术，无法实现高产。在此，中山大学生物医学工程学院蒋乐伦教授团队，与南方科技大学郭传飞教授，华中科技大学吴志刚教授及中国科学技术大学王柳教授等联合提出了一种简单的制造策略，通过折纸的方式将二维磁片转化为具有定制几何形状的三维软磁活性机器。基于自动化的卷对卷加工，这种方法允许大规模制造具有各种特性的软磁-折纸机器人，包括大尺寸展开、连续折叠成预先设计的形状和多变量驱动模式(如收缩、弯曲、旋转和滚动运动)。利用这些能力展示了一些潜在的应用：一个能够按需部署和无线充电的电子机器人，一个机械编码器，一个用于货物释放任务的四足机器人，以及一个磁铁折纸艺术/工艺品。该工作有助于大规模制造出具有多功能的软磁活性机器人。相关研究以“High-throughput fabrication of soft magneto-origami machines”为题发表在Nature Communications期刊上。
 

研究亮点

1. 提出了一种简便的制造策略，通过结合二维图案的卷对卷加工和三维折纸，可以大规模地快速构建软磁活性机器人。
2. 通过简单地在一张原纸上涂抹和固化一层磁性复合材料(即在聚合物基体中分散硬磁性微粒子)，创造了一个类似于纸的软磁片，可以折叠，成具有定制几何形状和高分辨率的磁致机。

3. 展示了一套可以折叠、弯曲、翻滚和行走的折纸机器人，其潜在的应用包括部署、物体操纵和运动。

 

图文速览

总结与展望

古老的折纸艺术——折纸,已经被广泛地探索为一种通过一系列空间组织的折叠来制造工程结构的策略。折纸制造的主要优点是设计原理简单，通过在平面上构建图案并将其折叠成最终形状，可以有效地创建具有定制几何形状的复杂结构。当用于设计机器人时，折纸机器人在2D和3D配置之间表现出内在的形状变形能力。通过多重折叠，形状变形可以有很大程度的变形(例如， 拉伸、收缩和弯曲)，使折纸机器人适应不同的任务和环境。在这项工作中，通过在纸上涂上一层薄薄的磁性复合材料，将传统的纸变成了磁性片。磁性片材保留了纸的可折叠性，同时给它所创造的磁性折纸机赋予了磁性反应能力。建立了一个卷对卷的平台，实现了2D磁性图案的自动制造，并展示了几个三维磁器折纸机，它们可以改变其形态并按要求执行运动任务，例如，部署、锁定、顺序折叠和货物运输。在这项工作中，对于常见的折纸图案执行简单的运动，失败率小得可以忽略不计。目前，磁力折纸机仍处于起步阶段。尽管在文献中已经在设计折叠模式方面做出了大量的努力，但制作仍然与手工折叠有很大的关系。在这方面，作者做了两个可重复性测试，以评估磁力折纸机的成品形状和形状变形行为。未来的工作可以集中在如何开发出形状和性能一致的折纸自动化生产线上。此外，磁力折纸机的磁化也可以在折纸之前进行编码，从而产生不同的磁极模式和机器的形状变形行为。
 

文献链接

High-throughput fabrication of soft magneto-origami machines, https://doi.org/10.1038/s41467-022-31900-5

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