想象一下，如果把我們熟悉的剪紙藝術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人設(shè)計(jì)中，會(huì)產(chǎn)生什么樣的化學(xué)反應(yīng)？最近，來(lái)自南丹麥大學(xué)軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)就給出了一個(gè)令人驚艷的答案。

這支研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了一種基于剪紙（Kirigami）原理的充氣式軟體爬行機(jī)器人。這項(xiàng)發(fā)表在《Advanced Robotics Research》期刊上的研究，不僅在學(xué)術(shù)界引起了關(guān)注，也為軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的思路。

與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人不同，這種新型機(jī)器人完全由柔性紡織材料制成，通過(guò)巧妙的剪紙圖案設(shè)計(jì)和氣動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了類似蛇類的多種運(yùn)動(dòng)模式。更令人驚嘆的是，這種看似簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，卻能讓機(jī)器人在瀝青路面、金屬格柵、混凝土斜坡等各種復(fù)雜地形上自如爬行。

▍剪紙變形的奧秘：從平面到立體的華麗轉(zhuǎn)身

這項(xiàng)研究的核心創(chuàng)新在于將剪紙超材料（Kirigami metamaterials）的概念引入到充氣式軟體執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中。研究團(tuán)隊(duì)在熱封紡織材料上引入了精心設(shè)計(jì)的交錯(cuò)線性切割圖案，當(dāng)向內(nèi)部充氣時(shí)，這些切口會(huì)產(chǎn)生協(xié)調(diào)的局部變形。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)執(zhí)行器充氣到100 kPa壓力時(shí)，切口的邊緣會(huì)相互重疊，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高達(dá)32%的均勻收縮。這個(gè)收縮率幾乎是沒(méi)有切口的普通氣囊的兩倍。更重要的是，這種收縮是均勻可控的，避免了傳統(tǒng)充氣結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的不可預(yù)測(cè)的局部屈曲問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元仿真深入分析了這種變形機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，在低壓階段（0-40 kPa），氣囊可以相對(duì)自由地移動(dòng)，收縮速率較快；而當(dāng)壓力超過(guò)40 kPa后，氣囊開(kāi)始膨脹并通過(guò)局部旋轉(zhuǎn)和重疊進(jìn)行自組裝，導(dǎo)致剛度增加，收縮速率降低。這種非線性的壓力-收縮關(guān)系為精確控制提供了基礎(chǔ)。

最引人注目的是，當(dāng)這些切口協(xié)調(diào)變形時(shí)，會(huì)在表面形成類似鱗片的特征。這種不對(duì)稱的表面紋理產(chǎn)生了方向性各向異性摩擦特性——向前的摩擦系數(shù)明顯小于向后的摩擦系數(shù)，這正是蛇類爬行的關(guān)鍵原理。

▍模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多樣化運(yùn)動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了雙通道剪紙執(zhí)行器。每個(gè)模塊包含兩個(gè)獨(dú)立的平行氣道，可以分別控制充氣。當(dāng)兩個(gè)通道同時(shí)充氣時(shí)，模塊產(chǎn)生軸向收縮；當(dāng)只有一個(gè)通道充氣時(shí)，模塊會(huì)向相應(yīng)方向彎曲，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)將多個(gè)雙通道模塊串聯(lián)，創(chuàng)造出了具有六個(gè)獨(dú)立控制通道的三模塊爬行機(jī)器人。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的充氣序列，這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式：直線爬行、蛇形運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制。

在直線爬行模式下，每個(gè)模塊的兩個(gè)通道同時(shí)充氣，通過(guò)引入相位差在相鄰模塊之間產(chǎn)生從頭到尾的行進(jìn)波。在蛇形運(yùn)動(dòng)模式下，相鄰模塊的相反通道被連接在一起，通過(guò)循環(huán)充氣產(chǎn)生波浪形運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，不同的致動(dòng)周期和相位差對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有顯著影響，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化找到了最佳的控制策略。

▍從實(shí)驗(yàn)室到真實(shí)世界的性能驗(yàn)證

研究團(tuán)隊(duì)不滿足于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測(cè)試，而是將他們的機(jī)器人帶到了各種真實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證。這些測(cè)試展示了剪紙爬行機(jī)器人驚人的適應(yīng)能力。

在摩擦特性測(cè)試中，研究人員在三種不同粗糙度的聚氨酯泡沫表面上測(cè)量了機(jī)器人的摩擦系數(shù)。結(jié)果顯示，充氣后的剪紙執(zhí)行器在所有表面上都表現(xiàn)出明顯的方向性摩擦各向異性，向后的摩擦系數(shù)幾乎是向前的兩倍。這種特性確保了機(jī)器人在循環(huán)充放氣過(guò)程中能夠產(chǎn)生凈向前運(yùn)動(dòng)。

在運(yùn)動(dòng)速度測(cè)試中，單通道剪紙執(zhí)行器在不同表面上的最高平均速度分別達(dá)到了1.3 mm/s（細(xì)孔泡沫）、4.8 mm/s（中孔泡沫）和6.0 mm/s（粗孔泡沫）。雙通道設(shè)計(jì)表現(xiàn)更優(yōu)，相應(yīng)速度提升到1.6 mm/s、5.5 mm/s和8.7 mm/s。這種性能提升歸因于雙通道設(shè)計(jì)減少了中央膨脹，增加了與地面的接觸面積。

最令人印象深刻的是機(jī)器人在各種復(fù)雜地形上的表現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)展示了機(jī)器人在瀝青路面上爬行、穿越狹窄通道、攀爬7度和20度的斜坡、跨越帶有縫隙的混凝土路面，甚至在金屬格柵上移動(dòng)的能力。在一個(gè)綜合測(cè)試中，三模塊機(jī)器人成功通過(guò)手動(dòng)控制完成了一個(gè)S形路徑，繞過(guò)剛性障礙物，全程用時(shí)19分鐘。

這些實(shí)地測(cè)試不僅驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，更展示了剪紙爬行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的巨大應(yīng)用潛力。無(wú)論是搜救任務(wù)、管道檢查還是環(huán)境監(jiān)測(cè)，這種輕量、柔性、適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人都可能發(fā)揮重要作用。

研究團(tuán)隊(duì)坦言，目前的設(shè)計(jì)仍需要外部氣源和控制系統(tǒng)的支持，但他們使用的微型氣泵和低功耗電磁閥都很緊湊輕便，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)完全自主的無(wú)系留設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。隨著模塊數(shù)量的增加，協(xié)調(diào)多個(gè)氣動(dòng)通道的復(fù)雜性也會(huì)增加，但通過(guò)氣動(dòng)多路復(fù)用和分層控制等策略，這些挑戰(zhàn)是可以克服的。

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)不止于創(chuàng)造了一個(gè)新型機(jī)器人。它展示了如何將古老的藝術(shù)形式與現(xiàn)代工程相結(jié)合，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。剪紙?jiān)聿粌H為軟體機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)范式，也為其他領(lǐng)域如可展開(kāi)結(jié)構(gòu)、智能材料和仿生系統(tǒng)提供了靈感。有時(shí)候最先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新，可能就隱藏在最古老的藝術(shù)形式之中。