折紙機器人能從灰燼中重生 研究領(lǐng)域細(xì)分越來越多

“折紙機器人”是最先進的軟、柔性機器人，已經(jīng)過測試，可用于各種應(yīng)用，包括人體藥物輸送，災(zāi)難環(huán)境中的搜索和救援任務(wù)以及類人機器人手臂，這使得折紙機器人出現(xiàn)了很多細(xì)分研究，而這些研究往往都取得了非常不錯的成績。

因為這些機器人需要靈活，所以它們通常由柔軟的材料制成，例如紙張，塑料和橡膠。為了發(fā)揮功能，通常會在頂部添加傳感器和電氣組件，但這會增加設(shè)備的體積。

現(xiàn)在，一個由NUS研究人員組成的團隊已經(jīng)開發(fā)出一種新穎的方法來創(chuàng)建一種用于這些軟機器人的新型金屬基材料。這種新材料將鉑等金屬與燒紙（灰燼）結(jié)合在一起，具有增強的功能，同時保持了傳統(tǒng)紙和塑料的可折疊性和輕便性。實際上，新材料的重量是紙的一半，這也使其具有更高的能效。

這些特性使這種材料成為制造柔韌而輕巧的假肢的強有力的候選者，該假肢的重量比傳統(tǒng)假肢輕60％。這樣的假體可以提供實時的應(yīng)變感測，以反饋有關(guān)其彎曲程度的信息，從而為用戶提供更好的控制和即時信息，而無需外部傳感器，否則外部傳感器會給假體增加不必要的重量。

該研究團隊復(fù)制用薄彈性體制成的鉑金折紙結(jié)構(gòu)，以形成多功能骨架，從而創(chuàng)建新的折紙機器人。與使用其他材料建造的機器人相比，這些新型機器人具有更高的變形性，阻燃性和能效。楊等。觀察到了新型鉑金機器人（Pt機器人）的新增功能，包括按需電阻加熱，應(yīng)變感應(yīng)和不帶外部電子設(shè)備的內(nèi)置天線。為了獲得更多功能，它們包括實時監(jiān)視或記錄機器人運動，機器人之間的無線通信，熱量調(diào)節(jié)和磁控制。這項新工作豐富了機器人材料庫，以設(shè)計通用的軟機器人。

機器人技術(shù)研究人員此前曾探索過日本古代的折紙藝術(shù)，以制造人造肌肉，自動折疊機，彈簧折紙系統(tǒng)和機器人變形。通常，他們使用纖維素紙，聚酯，聚醚醚酮和聚四氟乙烯來制造此類發(fā)明的骨架。盡管提供了機械支持，但紙或塑料骨架缺乏刺激響應(yīng)，感應(yīng)和無線通信功能?，F(xiàn)在，研究團隊不再安裝外部設(shè)備來提供這種功能，而是致力于開發(fā)多功能的軟機器人主干網(wǎng)以實現(xiàn)緊密集成。研究工作尚未證明這種具有導(dǎo)電折紙骨架的原型軟機器人具有傳感和通信潛力。因此，科學(xué)家渴望開發(fā)一種新的制造方案，以生產(chǎn)機械穩(wěn)定，柔軟且導(dǎo)電的機器人骨架。

于是，這種輕巧的金屬骨架誕生了，它比用于制造折紙機器人的傳統(tǒng)材料輕至少三倍，它還具有更高的能源效率，使折紙機器人能夠以比原來少30％的能源更快地工作。此外，這種新型材料具有耐火性，適合制造在惡劣環(huán)境下工作的機器人，因為它可以承受約800°C的燃燒長達5分鐘。

另外一個優(yōu)點是，這種新型導(dǎo)電材料具有按需地?zé)峒訜岬墓δ?通過該材料發(fā)送電壓會導(dǎo)致其加熱，這有助于防止機器人在寒冷環(huán)境中工作時結(jié)冰。這些屬性可用于創(chuàng)建輕便靈活的搜索救援機器人，這些機器人可以進入危險區(qū)域，同時提供實時反饋和通信。

這種金屬基材料是由團隊開發(fā)的一種新工藝生產(chǎn)的，該工藝稱為“氧化石墨烯啟用的模板合成”。首先將纖維素紙浸入氧化石墨烯溶液中，然后再將其浸入由金屬離子（例如鉑）制成的溶液中。然后將材料在惰性氣體氬氣中于800°C，然后在500°C的空氣中燃燒。

最終產(chǎn)品是由70％的鉑和30％的無定形碳（灰分）組成的金屬薄層（90微米（μm）或0.09mm），其柔韌性足以彎曲，折疊和拉伸。這一重大研究突破已于2019年8月28日發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《科學(xué)機器人》上。也可以使用其他金屬，例如金和銀。

具有內(nèi)置無線通信功能的Origami Pt機器人。（A）在0％應(yīng)變下于741.8 MHz的兩個Pt彈性波紋管的模擬3D輻射方向圖。（B）雙波紋Pt機器人的示意圖，該機器人也用作可重配置的偶極天線。（C）左：可重構(gòu)偶極天線在0至50％的不同壓縮應(yīng)變下的回波損耗。右圖：共振頻率是500次循環(huán)機器人致動前后壓縮應(yīng)變的函數(shù)。（D）發(fā)送器Pt機器人（發(fā)送信號）（左）和接收器Pt機器人（接收信號）（右）的照片。（E）脈沖信號（發(fā)送方Pt機械手已發(fā)送）被接收方Pt機械手很好地接收。發(fā)送信號的頻率與接收信號的頻率相同。（F）兩個Pt機器人能夠跨1.2米的距離進行遠程通信。

小組組長助理助理陳寶仁教授在研究中使用了切成鳳凰形狀的纖維素模板。美國國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系的陳教授說：“我們受到神話中生物的啟發(fā)。就像鳳凰一樣，它可以被燃燒成灰燼，重生變得比以前更強大?！?/p>

在制造過程中，Yang等人使用氧化石墨烯（GO）多層層插入各種金屬離子前體，然后進行高溫退火和煅燒以生產(chǎn)高維GO結(jié)構(gòu)。金屬氧化物復(fù)制品包括微觀紋理，獨立的股線和復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu)，具有出色的化學(xué)控制和結(jié)構(gòu)復(fù)制能力。提出的GO衍生方法將提供一個新平臺，以生產(chǎn)復(fù)雜的金屬架構(gòu)，作為軟機器人的多功能主干。

該團隊的材料可以充當(dāng)機械穩(wěn)定，柔軟且導(dǎo)電的骨架，從而使機器人具備應(yīng)變感應(yīng)和通訊功能，而無需外部電子設(shè)備。具有導(dǎo)電性意味著該材料充當(dāng)其自身的無線天線，從而使其可以與遠程操作員或其他機器人進行通信，而無需外部通信模塊。這擴大了折紙機器人的范圍，例如在高風(fēng)險環(huán)境（例如化學(xué)泄漏和火災(zāi)）中作為遠程束縛式機器人或用作人造肌肉或人形機器人手臂而工作。

為了提高機械穩(wěn)定性，他們在金屬折紙結(jié)構(gòu)中加入了稀薄的彈性體，以實現(xiàn)較大的變形能力和可逆的重構(gòu)。之所以選擇鉑金，是因為其與金（Au）或銀（Ag）相比，具有有效的結(jié)構(gòu)保持性，較高的機械柔韌性和較高的導(dǎo)電性。該團隊針對高電導(dǎo)率和機械柔韌性優(yōu)化了Pt-彈性體骨架，以使所得的平面Pt-彈性體復(fù)合材料能夠承受較大且反復(fù)的變形，這對于軟機器人骨架而言是更理想的選擇?？芍嘏渲玫慕饘僦鞲梢肓硕喾N不同的功能以形成超材料折紙機器人包括潛在的耐火性。研究小組通過允許Pt機器人與火焰直接接觸以延長暴露時間（800 0 C，持續(xù)30秒）來測試此功能，相比之下，紙機器人在數(shù)秒（不到5秒）內(nèi)被點燃。

Pt-彈性體骨架比纖維素紙機械手更薄更輕，但在可逆機械手致動過程中仍保持機械穩(wěn)定。紙基機器人需要很大的壓力變化才能伸長或收縮。，而Pt機械手只需要較低的壓力變化即可。然后楊等開發(fā)了導(dǎo)電的Pt折紙機器人來發(fā)送和接收電磁波（EM），并用作無線通信的可重構(gòu)天線。在制造之前，研究團隊模擬了3-D輻射方向圖，以探索Pt機器人作為輻射天線的用途，然后制造它們，科學(xué)家還展示了充當(dāng)發(fā)送器和接收器的兩個Pt機器人之間的無線通信。

該團隊比較了工作中的五類機器人功能，以證明使用具有GO功能的Pt金屬骨架相對于（1）骨架密度，（2）機械剛度，（3）能源效率，（4）應(yīng)變感應(yīng)功能的技術(shù)優(yōu)勢。（5）無線通訊能力。研究團隊進一步優(yōu)化了兩個Pt機器人的無線通信功能，其中發(fā)送方機器人將導(dǎo)航指令無線傳遞給接收方機器人，以遵循引導(dǎo)路徑成功繞過工程障礙。

然后，該團隊使用添加的3-D制造技術(shù)擴展了該系統(tǒng)的應(yīng)用程序，在該技術(shù)中，他們將Pt-Go-纖維素油墨與熔融沉積建模（FDM）結(jié)合在一起，以進行3-D打印金屬機器人骨架成型形狀。隨后，他們設(shè)計了Pt機器人進行磁場遠程控制。為此楊等用Pt-Go-纖維素墨水合成了一個Pt復(fù)制品，并用磁性顆粒滲透到聚合物溶液中，形成了一個磁性Pt主鏈。新結(jié)構(gòu)包含通常的內(nèi)置應(yīng)變感應(yīng)和無線通信功能，并增加了磁運動。磁性Pt機器人在磁驅(qū)動下可能會發(fā)生可逆的形狀和身體變形，以與旋轉(zhuǎn)磁場對齊向前移動。

通過這種方式，楊海濤及其同事開發(fā)了一種支持Go的模板合成協(xié)議，以生產(chǎn)可重構(gòu)，順應(yīng)性和多功能的金屬骨架，以構(gòu)建金屬折紙機器人。機器人具有內(nèi)置的應(yīng)變感應(yīng)和無線通信功能。用復(fù)雜的貴金屬（包括銀，金和鉑）制成的合成金屬骨架是其紙制副本的高度結(jié)構(gòu)復(fù)制。與傳統(tǒng)的紙和塑料相比，可重構(gòu)的Pt彈性骨架具有重量輕，可變形性和功率效率高的特點。

“我們嘗試了不同的導(dǎo)電材料，最終得出了一種獨特的組合，可以實現(xiàn)最佳的應(yīng)變感應(yīng)和無線通信功能。因此，我們的發(fā)明擴展了用于制造高級機器人的非常規(guī)材料庫，”該研究的第一作者，化學(xué)與生物分子工程系的楊海濤博士說。

國大助理教授陳寶仁（右）和博士生楊海濤（左）及其團隊創(chuàng)造了一種新型金屬材料，用于柔軟靈活的機器人。?

在他們的下一步研究中，陳副教授及其團隊正在研究為金屬骨架增加更多功能。一個有前途的方向是將電化學(xué)活性材料摻入到制造能量存儲設(shè)備中，從而使材料本身就是其自身的電池，從而允許創(chuàng)建自供電機器人。該小組還在試驗其他金屬，例如銅，這將降低材料的生產(chǎn)成本。

楊等設(shè)想金屬折紙機器人的實際應(yīng)用包括高風(fēng)險環(huán)境中的活動，用于人造肌肉和機械臂以及遠程控制的不受束縛的機器人。他們的目標(biāo)是利用電化學(xué)活性材料優(yōu)化金屬骨架，從而形成儲能裝置。這樣的發(fā)展將豐富機器人材料庫，以制造具有高功能集成的各種軟機器人。