想象一下，如果把我們熟悉的剪紙藝術應用到機器人設計中，會產生什么樣的化學反應？最近，來自南丹麥大學軟體機器人實驗室的研究團隊就給出了一個令人驚艷的答案。

這支研究團隊成功開發出了一種基于剪紙（Kirigami）原理的充氣式軟體爬行機器人。這項發表在《Advanced Robotics Research》期刊上的研究，不僅在學術界引起了關注，也為軟體機器人的設計開辟了新的思路。

與傳統的剛性機器人不同，這種新型機器人完全由柔性紡織材料制成，通過巧妙的剪紙圖案設計和氣動控制，實現了類似蛇類的多種運動模式。更令人驚嘆的是，這種看似簡單的設計，卻能讓機器人在瀝青路面、金屬格柵、混凝土斜坡等各種復雜地形上自如爬行

▍剪紙變形的奧秘：從平面到立體的華麗轉身

這項研究的核心創新在于將剪紙超材料（Kirigami metamaterials）的概念引入到充氣式軟體執行器的設計中。研究團隊在熱封紡織材料上引入了精心設計的交錯線性切割圖案，當向內部充氣時，這些切口會產生協調的局部變形。

具體來說，當執行器充氣到100 kPa壓力時，切口的邊緣會相互重疊，導致整個結構產生高達32%的均勻收縮。這個收縮率幾乎是沒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，避免了傳統充氣結構常見的不可預測的局部屈曲問題。

研究團隊通過實驗和有限元仿真深入分析了這種變形機制。他們發現，在低壓階段（0-40 kPa），氣囊可以相對自由地移動，收縮速率較快；而當壓力超過40 kPa后，氣囊開始膨脹并通過局部旋轉和重疊進行自組裝，導致剛度增加，收縮速率降低。這種非線性的壓力-收縮關系為精確控制提供了基礎。

最引人注目的是，當這些切口協調變形時，會在表面形成類似鱗片的特征。這種不對稱的表面紋理產生了方向性各向異性摩擦特性——向前的摩擦系數明顯小于向后的摩擦系數，這正是蛇類爬行的關鍵原理。

▍模塊化設計實現多樣化運動

為了實現更復雜的運動控制，研究團隊開發了雙通道剪紙執行器。每個模塊包含兩個獨立的平行氣道，可以分別控制充氣。當兩個通道同時充氣時，模塊產生軸向收縮；當只有一個通道充氣時，模塊會向相應方向彎曲，實現轉向功能。

更進一步，團隊將多個雙通道模塊串聯，創造出了具有六個獨立控制通道的三模塊爬行機器人。通過精心設計的充氣序列，這個系統可以實現多種運動模式：直線爬行、蛇形運動和轉向控制。

在直線爬行模式下，每個模塊的兩個通道同時充氣，通過引入相位差在相鄰模塊之間產生從頭到尾的行進波。在蛇形運動模式下，相鄰模塊的相反通道被連接在一起，通過循環充氣產生波浪形運動。實驗表明，不同的致動周期和相位差對運動速度有顯著影響，研究團隊通過系統的參數優化找到了最佳的控制策略。

▍從實驗室到真實世界的性能驗證

研究團隊不滿足于實驗室環境下的測試，而是將他們的機器人帶到了各種真實場景中進行驗證。這些測試展示了剪紙爬行機器人驚人的適應能力。

摩擦特性測試中，研究人員在三種不同粗糙度的聚氨酯泡沫表面上測量了機器人的摩擦系數。結果顯示，充氣后的剪紙執行器在所有表面上都表現出明顯的方向性摩擦各向異性，向后的摩擦系數幾乎是向前的兩倍。這種特性確保了機器人在循環充放氣過程中能夠產生凈向前運動。

運動速度測試中，單通道剪紙執行器在不同表面上的最高平均速度分別達到了1.3 mm/s（細孔泡沫）、4.8 mm/s（中孔泡沫）和6.0 mm/s（粗孔泡沫）。雙通道設計表現更優，相應速度提升到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計減少了中央膨脹，增加了與地面的接觸面積。

最令人印象深刻的是機器人在各種復雜地形上的表現。研究團隊展示了機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的能力。在一個綜合測試中，三模塊機器人成功通過手動控制完成了一個S形路徑，繞過剛性障礙物，全程用時19分鐘。

這些實地測試不僅驗證了設計的可行性，更展示了剪紙爬行機器人在非結構化環境中的巨大應用潛力。無論是搜救任務、管道檢查還是環境監測，這種輕量、柔性、適應性強的機器人都可能發揮重要作用。

研究團隊坦言，目前的設計仍需要外部氣源和控制系統的支持，但他們使用的微型氣泵和低功耗電磁閥都很緊湊輕便，為未來實現完全自主的無系留設計奠定了基礎。隨著模塊數量的增加，協調多個氣動通道的復雜性也會增加，但通過氣動多路復用和分層控制等策略，這些挑戰是可以克服的。

這項研究的意義遠不止于創造了一個新型機器人。它展示了如何將古老的藝術形式與現代工程相結合，通過簡單的幾何設計實現復雜的功能。剪紙原理不僅為軟體機器人提供了新的設計范式，也為其他領域如可展開結構、智能材料和仿生系統提供了靈感。有時候最先進的技術創新，可能就隱藏在最古老的藝術形式之中。