折紙啟發(fā)的水陸兩棲軟體爬行3D打印機(jī)器人，北方工業(yè)大學(xué)胡福文課題組

2024年8月，南極熊獲悉，北方工業(yè)大學(xué)胡福文課題組在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Biomimetics》發(fā)布了《折紙啟發(fā)的水陸兩棲軟體爬行機(jī)器人》一文。

水的密度約是空氣的800倍，其粘性是空氣的55倍，這種物理特性差異給水陸兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。特別是深水或深海行走機(jī)器人還要面對(duì)較大的靜水壓力。近日，北方工業(yè)大學(xué)胡福文課題組通過(guò)揭示折紙彈性球模型所蘊(yùn)含的超材料變形機(jī)制，成功研制了一類(lèi)新型可3D打印的體素型軟體四足水陸兩棲爬行機(jī)器人。

這款機(jī)器人的靈感來(lái)源是一種折紙彈性球模型。他們的研究揭示了此折紙模型蘊(yùn)含的多自由度柔順性、易于組裝的可重構(gòu)性、準(zhǔn)零剛度變形等迷人特性。機(jī)器人本體由14個(gè)3D打印的折紙彈性球模型組裝而成，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)具有“極簡(jiǎn)性”，具有制造成本低、可模塊化擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。


機(jī)器人通過(guò)電機(jī)繩驅(qū)腿部彎曲實(shí)現(xiàn)了四足行走和蠕動(dòng)爬行步態(tài)。水下環(huán)境實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人可以較好適應(yīng)水介質(zhì)中的沙地、斜坡等地面環(huán)境以及人工浪涌。和陸上的行走實(shí)驗(yàn)相比，運(yùn)動(dòng)的速度沒(méi)有出現(xiàn)明顯的降低。此外，水深的增加反而在一定范圍內(nèi)促進(jìn)了機(jī)器人的行走。顯然，這種“全鏤空”的折紙結(jié)構(gòu)給機(jī)器人抵抗靜水壓力和減少運(yùn)動(dòng)阻力提供了優(yōu)勢(shì)。


這項(xiàng)研究進(jìn)展不僅拓寬了創(chuàng)新設(shè)計(jì)水陸兩棲機(jī)器人的視野，還為更宏大的研究愿景——可直接從3D打印機(jī)中走出的機(jī)器人（Robots walking from 3D Printers）開(kāi)辟了新的契機(jī)。這項(xiàng)原創(chuàng)性成果以題為“A Soft Amphibious Voxel-Type Quadruped Robot Based on Origami Flexiball of Rhombic Dodecahedron”的論文發(fā)表在JCR一區(qū)、國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Biomimetics》上，論文鏈接https://doi.org/10.3390/biomimetics9080482。

北方工業(yè)大學(xué)胡福文課題組主要從事智能工業(yè)系統(tǒng)、新形態(tài)機(jī)器人、增材制造等領(lǐng)域的理論研究和技術(shù)研發(fā)工作，在《Journal of Intelligent Manufacturing》、《Advanced Engineering Informatics》、《Computers in Industry》、《Soft Robotics》等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文40余篇，獲省部級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲全國(guó)大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。