机械臂是目前机器人领域应用最广泛的自动化设备。相比传统刚性机械臂模拟人类手臂运动，软体机械臂的灵感来自于软体动物的手臂（如章鱼触手），由于其柔顺性和连续变形的特性，因此与人类交互时更加安全，在未来医疗康复和家庭服务等领域具有十分广阔的应用前景。现有的软体机械臂通常只能实现伸缩、单向弯曲、双向弯曲、或者扭曲变形中的一种，并没有充分利用软体结构无限自由度的优势。尽管有些系统可以实现多种变形的集成，但是需要大量驱动器（电机或气泵）配合，造成系统管线庞杂，难以小型化及远程操控，限制了一些严苛环境如人体内的应用。
受章鱼触手启发， 斯坦福大学赵芮可教授团队（原俄亥俄州立大学）提出一种基于磁驱动和Kresling型折纸结构单元的柔顺软机械臂，通过巧妙的磁化设计和精准的磁场控制，该机械臂系统可以实现包括万向弯曲（omnidirectional bending）、伸缩（deployment/contraction）和扭曲（twisting）在内的各种灵巧的变形模式，并展示了抓取和操作物体的能力。同时由于磁驱动远程无线控制的特性，机械臂系统十分易于小型化，团队进一步设计了多种与医用导管尺寸相近的机械臂，展示了其未来医疗应用的潜力。研究成果于近日以 “Stretchable origami robotic arm with omnidirectional bending and twisting” 为题发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，论文参与者还有佐治亚理工学院的Glaucio H. Paulino教授。
机械臂多种变形的集成是基于Kresling型折纸结构单元可同时实现伸缩和万向弯曲变形，其磁驱动原理如图一所示。从图一A-C可以看出，通过研究Kresling单元的结构特性，该结构可以通过施加面内的转矩实现伸缩或者施加面外转矩实现弯曲，这里的面内和面外分量是相对于Kresling单元的顶面定义的。当单元上的磁驱动器同时具有面内和面外的磁化分量，即可以通过精确的磁场控制分别实现伸缩和万向弯曲（视频一），其中面内磁化分量贡献面内转矩（图一E），面外磁化分量贡献面外转矩（图一H）。
图一：磁驱动Kresling型折纸单元伸缩和万向弯曲变形的驱动原理
视频一：磁驱动Kresling型折纸单元实现伸缩和万向弯曲变形
基于Kresling单元的驱动原理，团队设计了一系列多单元结构的机械臂来展示集成的变形特性，机械臂上各单元的磁驱动器的磁化方向均经过特殊设计满足相应的设计目标，例如视频二中所示的四单元Kresling机械臂，底部的单元的磁驱动器具有面外磁化方向，负责机械臂的整体全向弯曲，而上方的三个单元具有方向各异的面内磁化方向，主要负责机械臂的伸缩。经过巧妙设计的机械臂在三维磁场的控制下可以同时实现万向弯曲和伸缩。
视频二：四单元Kresling机器臂的万向弯曲和展开
章鱼通过控制触手的灵活变形可以实现行走、游泳、捕食等不同的功能，受此启发，团队设计了十二单元（图二）和十八单元（图三）的仿生机械臂来模拟章鱼触手的各种功能。其中十二单元仿生机械臂的磁驱动器均为面内磁化，在精准的磁场控制下，该机械臂模拟了章鱼触手可控伸缩、弯曲及扭曲等不同变形模式（视频三）。而十八单元仿生机械臂的磁驱动器均为面外磁化，除了可以模拟章鱼触手的不同弯曲形态外，还展示了与触手捕食功能相似的抓取和操作物体的能力（视频四）。基于Kresling折纸单元的机械臂具有十分灵活的设计自由度，可以定制Kresling单元数量及磁驱动器的磁化方向，满足不同的应用场合和目标功能需求。
图二：十二单元Kresling仿生机器臂
视频三：十二单元Kresling仿生机器臂模拟章鱼触手的可控伸缩、弯曲及扭曲等变形模式
图三：十八单元Kresling仿生机器臂
视频四：十八单元Kresling仿生机器臂模拟章鱼触手弯曲及捕食功能
团队还更进一步展示了Kresling机械臂潜在的医疗应用潜力，一些医疗场景，如内窥镜手术，需要导管前端具有灵活和精准的定位控制，而这些控制通常不易从远端施加或容易对病人造成损伤，磁驱动Kresling机械臂的远程操控可以很好的弥补这些缺点。如图四所示为一些小型化机械臂的设计，这些机械臂具有和医用导管相近的尺寸，通过伸缩和万向弯曲等灵巧变形实现物体操控（视频五），未来有望实现在人体内狭窄环境下的精确作业。
图四：小型化Kresling机械臂与医用导管对比示意图
视频五：小型化Kresling机械臂通过伸缩和万向弯曲实现物体操控
该工作由斯坦福大学软智能材料实验室的（原俄亥俄州立大学Soft Intelligent Materials Laboratory，SIMLab链接: https://zhaolab.stanford.edu/）博士生吴帅，博士后迮弃疾为共同一作，其他重要作者包括俄亥俄州立大学硕士生戴继泽，另外特别感谢加州大学伯克利分校的硕士生孙悦(原SIMLab本科生助研)在样品制备方面的大力帮助。
团队介绍：
赵芮可团队近年来通过力学指导的新型磁驱软材料以及新型结构的结合设计，在磁驱软材料与器件制备、加工与多功能化等方面取得了系列进展，详情见报道：《先进材料》封面：磁驱形状记忆高分子——形状记忆与快速形变的完美结合；《PNAS》折纸也能用来计算？；赵芮可教授/齐航教授合作《AFM》——磁驱软材料，让超材料活起来；磁驱软材料连发AM封面：新型磁性动态高分子问世！）
论文链接：
https://www.pnas.org/content/118/36/e2110023118
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！联系邮箱: yzhao@koushare.com