现实版“变形金刚”,灵感源于折纸

原文出处: S.西尔维希耶

提到机器人,我们可能更多的会想到科幻电影中的情节:在不知到底是多少世纪的遥远未来,具有人工智能的机器人成了人们生活中不可或缺的部分。在不同的科幻影片中,机器人被赋予了不同的功能:它们可以扫地做饭洗衣服,暗杀监听炸大楼。而在很多这一题材的影片中,机器人被赋予了自我组装和变形的能力。

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不管这些情节和设定多么荒谬,从理论上来说都有被实现的可能性。实际上,致力于这一领域研究的科学家们,也在努力使机器人向着更为智能和自动化的方向“进化”。近日,来自哈佛大学的研究小组就取得了喜人的成果:他们借鉴了折纸的思路,成功地制造出了能够自行组装的机器人。这一成果被发表在最新一期的《科学》杂志上。

如同折纸一样,构建这种机器人的第一步是设计相应平面图纸,合理规划形状与“折痕”的位置,为机器人的自我折叠铺平做好准备。研究人员设计了一个层叠结构作为机器人的骨架:一层包含铜导线的聚酰亚胺(PCB)被放置于骨架的最中间层,在这一层的上面和下面则分别被纸和经过预拉伸处理的聚苯乙烯(PSPS)包被。聚苯乙烯具有良好的热塑性,在被加温至100℃后发生形变,而在冷却后能够维持这一形状。研究人员同时对这些构成骨架的材料层进行了处理:为保证折叠的可控性,聚酰亚胺上层的纸层被从中间切开;下层的纸层和聚苯乙烯上的狭缝,则能够帮助减小在加工过后的形变恢复。

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左:自组装机器人的五层结构;右上:PCB层的线迹图,红、蓝、绿色线迹一次代表负责激活第一、二、三次折叠的电路;右下:自组装机器人的电路图。图片来源:S. Felton et al. (2014)Science.

机器人骨架内置一个用于控制折叠的控制器以及两个用于驱动的马达。在控制器被激活后,相应部位的部件会被加热并启动折叠过程。这一折叠过程全程耗时270s。依据研究人员的设计,在“变形”完毕后,这个纸质的小家伙还能够以樱花掉落的速度——每秒5.4厘米——略带滑稽地爬行,并且能够自我完成转向。研究人员测算,机器人完成折叠所需的能量约为8.8kJ。

这一研究的主要负责人,哈佛大学的萨姆·费尔顿(Sam Felton)向果壳网介绍说,在整个的设计过程中,研究人员遇到的最大挑战是机器人的尺寸选择。“我们不能把它做得太大——不被折叠的区域大小不能超过标准纸张的面积(215mmx280mm),因为我们需要用这样的纸来进行制作。同时,我们也不能做的太小,太小的机器人没办法负载马达和控制器的重量,而且用于激活折叠过程的加热处理可能影响其他系统。要在这样一个相对较小的部件中精确地进行加热控制避免敏感的构件过热,是个巨大的挑战。”萨姆说,“我们进行了超过40次修改才得到最终的设计。好在,制作过程比较简单。”

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“我们的自组装技术具有良好的适用性。目前使用纸张和热塑性塑料是出于成本考虑,但用其他材料例如金属来进行设计组装也是可能的。相应地,进行折叠的方式也有很多种——我们可以用例如电磁线圈或气动管道对代替加热对折叠进行控制。”萨姆认为,这一技术可能会有良好的应用前景。

“我认为这一技术能让科学家在人类无法到达的地方‘设立’小机器人,我想未来可能更多的被用于太空探测领域。”萨姆说。《科学》杂志的资深编辑马克·拉文(Marc Lavine)则认为,这一技术在搜救领域也许具有重大意义。“机器人可以被输送通过狭窄的管道,然后它们可以在那里自我组装并发挥功能。”

尽管看着似乎很逆天,但人们不用担心这些机器人有朝一日会像科幻电影里的那些坏家伙一样失控。“机器人骨架的每一层,折叠的位置和最终折叠成的角度都被精确设计过,确保它一定会组装成我们预期的样子。机器人无法凌驾于这些程序。” 萨姆说。

参考文献:

  1. S. M. Felton et al., A Method for Building Self-Folding Machines. Science 345, 644 (2014)


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