科學(xué)家研發(fā)像章魚觸手一樣靈活的“紙彈簧”機械臂，有望實現(xiàn)遠程無線操控手術(shù)

傳統(tǒng)的機械臂又大又重，并且受驅(qū)動器（電機或氣動泵）的限制，如果在人員和機器訪問受限的惡劣環(huán)境中，機械臂的適用性、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)動器尺寸和管線束縛的機械臂呢？

近日，斯坦福大學(xué)趙芮可教授團隊（原俄亥俄州立大學(xué)）與佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)了一種應(yīng)用折紙結(jié)構(gòu)的“紙彈簧”機械手臂，它像章魚觸手一樣靈活，并且可實現(xiàn)遠程操控及小型化。可不受驅(qū)動器限制，而是在周圍磁場的變化下“啟動”，可提供集成的大收縮/展開、萬向彎曲和扭曲等靈活的多自由度變形和物體抓取能力。

該成果在PNAS首頁推薦

該團隊表示，因為折紙工藝允許平面材料或結(jié)構(gòu)重塑為三維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同尺度的復(fù)雜機器人運動，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。

機械臂的展開和收縮

相關(guān)論文以《可萬向彎曲和扭曲的可拉伸折紙機械臂》為題發(fā)表在PNAS，被推薦到PNAS首頁。

相關(guān)論文

該研究共同一作為斯坦福大學(xué)軟智能材料實驗室的（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)，該團隊與折紙結(jié)構(gòu)單元結(jié)合，然后設(shè)計了柔順的“紙彈簧”機械臂。

該機械臂實現(xiàn)了像章魚手臂一樣，連續(xù)的變形、可調(diào)節(jié)以及用于移動和捕食的敏捷動作。通過精確的磁驅(qū)動，實現(xiàn)將拉伸、折疊、萬向彎曲和扭曲等功能整合的多模態(tài)變形。

用于收縮/展開和全向彎曲的磁性Kresling單元的驅(qū)動機制

為構(gòu)建與章魚手臂原理相似的機械臂，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Kresling結(jié)構(gòu)單元，在磁場的控制下可以分時實現(xiàn)收縮、展開和全向彎曲。

接下來，該團隊把這些單個分段單元整合連接，再把手臂放在可控的磁場中。由于每個部分都有屬于自己的磁化各異的磁片，研究人員通過改變磁場的參數(shù)實現(xiàn)了單獨控制機械臂的每個部分，它將Kresling結(jié)構(gòu)的彎曲與展開相結(jié)合，并通過磁場的分布式驅(qū)動實現(xiàn)了整個機械臂的靈活控制。

單元機械手臂的驅(qū)動機制

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

具有拉伸、彎曲和扭曲運動的章魚式機械臂

與醫(yī)用導(dǎo)管尺寸相近的機械臂

遠程磁場控制允許分布式驅(qū)動多自由度機器人系統(tǒng)進行復(fù)雜運動，以實現(xiàn)上述變形能力和功能。趙芮可表示，“該研究的難點在于設(shè)計的靈活性帶來的大量設(shè)計變量，增加了設(shè)計的難度，未來我們考慮采用計算機輔助優(yōu)化方法來簡化機械臂的設(shè)計過程。”

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

除此之外，該團隊表示，“磁驅(qū)動使機械臂易于小型化，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，該機械手臂并不是為了重物抓取而設(shè)計，他們設(shè)想將它或類似的設(shè)計用于操作更精細的應(yīng)用中，例如醫(yī)療領(lǐng)域的體內(nèi)環(huán)境。“未來，我們計劃在醫(yī)療環(huán)境中進行不斷地實驗改進，結(jié)合現(xiàn)在成熟的磁場控制醫(yī)療設(shè)備，如核磁共振儀，期望將該機械臂技術(shù)不斷向?qū)嶋H應(yīng)用推進。”（摘自美《深科技》） （編輯/克珂）