科學(xué)家研發(fā)像章魚觸手一樣靈活的“紙彈簧”機(jī)械臂，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線操控手術(shù)

傳統(tǒng)的機(jī)械臂又大又重，并且受驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)或氣動(dòng)泵）的限制，如果在人員和機(jī)器訪問(wèn)受限的惡劣環(huán)境中，機(jī)械臂的適用性、操作靈活性和多功能性將極大被束縛。

那么，是否可以制造一種不受驅(qū)動(dòng)器尺寸和管線束縛的機(jī)械臂呢？

近日，斯坦福大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)（原俄亥俄州立大學(xué)）與佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用折紙結(jié)構(gòu)的“紙彈簧”機(jī)械手臂，它像章魚觸手一樣靈活，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及小型化。可不受驅(qū)動(dòng)器限制，而是在周圍磁場(chǎng)的變化下“啟動(dòng)”，可提供集成的大收縮/展開(kāi)、萬(wàn)向彎曲和扭曲等靈活的多自由度變形和物體抓取能力。

該團(tuán)隊(duì)表示，因?yàn)檎奂埞に囋试S平面材料或結(jié)構(gòu)重塑為三維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同尺度的復(fù)雜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，可以被應(yīng)用到包括變形結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、航空航天和電子等工程領(lǐng)域。

相關(guān)論文以《可萬(wàn)向彎曲和扭曲的可拉伸折紙機(jī)械臂》為題發(fā)表在PNAS，被推薦到PNAS首頁(yè)。

該研究共同一作為斯坦福大學(xué)軟智能材料實(shí)驗(yàn)室的（原俄亥俄州立大學(xué)）博士生吳帥、博士后迮棄疾，其他作者包括俄亥俄州立大學(xué)碩士生戴繼澤、加州大學(xué)伯克利分校的碩士生孫悅（原SIM Lab本科生助研）。

章魚科研迅速地重新配置其手臂，執(zhí)行游泳、步行和捕食等高度集成的任務(wù)。受這種軟體頭足類生物系統(tǒng)的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)與折紙結(jié)構(gòu)單元結(jié)合，然后設(shè)計(jì)了柔順的“紙彈簧”機(jī)械臂。

該機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了像章魚手臂一樣，連續(xù)的變形、可調(diào)節(jié)以及用于移動(dòng)和捕食的敏捷動(dòng)作。通過(guò)精確的磁驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將拉伸、折疊、萬(wàn)向彎曲和扭曲等功能整合的多模態(tài)變形。

為構(gòu)建與章魚手臂原理相似的機(jī)械臂，研究人員選擇了“分段法”。嵌入磁性顆粒的磁片和Kresling折紙結(jié)構(gòu)被連接在一起構(gòu)成單個(gè)Kresling結(jié)構(gòu)單元，在磁場(chǎng)的控制下可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)收縮、展開(kāi)和全向彎曲。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)把這些單個(gè)分段單元整合連接，再把手臂放在可控的磁場(chǎng)中。由于每個(gè)部分都有屬于自己的磁化各異的磁片，研究人員通過(guò)改變磁場(chǎng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)控制機(jī)械臂的每個(gè)部分，它將Kresling結(jié)構(gòu)的彎曲與展開(kāi)相結(jié)合，并通過(guò)磁場(chǎng)的分布式驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)械臂的靈活控制。

研究人員指出，“將磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)化，可以讓用戶使用類似游戲的控制器的簡(jiǎn)單操作就可以對(duì)手臂進(jìn)行非常精細(xì)的控制。在這樣的環(huán)境下，帶有手或爪的手臂可以自由地移動(dòng)變形。此外，該設(shè)計(jì)允許根據(jù)應(yīng)用自由定制，包括單元數(shù)、尺寸、變形方式和程度。”

遠(yuǎn)程磁場(chǎng)控制允許分布式驅(qū)動(dòng)多自由度機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)上述變形能力和功能。趙芮可表示，“該研究的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的靈活性帶來(lái)的大量設(shè)計(jì)變量，增加了設(shè)計(jì)的難度，未來(lái)我們考慮采用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化方法來(lái)簡(jiǎn)化機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程。”

通過(guò)磁性Kresling結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)和對(duì)施加磁場(chǎng)的精確控制，具有集成多模態(tài)變形的折紙機(jī)械臂可用于大收縮/展開(kāi)、全向彎曲和扭曲。

除此之外，該團(tuán)隊(duì)表示，“磁驅(qū)動(dòng)使機(jī)械臂易于小型化，具有靈活的集成變形和物體抓取的能力，允許在狹窄的生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中開(kāi)發(fā)微型醫(yī)療設(shè)備，如胃、腸、氣管和支氣管等。”

趙芮可表示，該機(jī)械手臂并不是為了重物抓取而設(shè)計(jì)，他們?cè)O(shè)想將它或類似的設(shè)計(jì)用于操作更精細(xì)的應(yīng)用中，例如醫(yī)療領(lǐng)域的體內(nèi)環(huán)境。“未來(lái)，我們計(jì)劃在醫(yī)療環(huán)境中進(jìn)行不斷地實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)在成熟的磁場(chǎng)控制醫(yī)療設(shè)備，如核磁共振儀，期望將該機(jī)械臂技術(shù)不斷向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)。”（摘自美《深科技》） （編輯/克珂）