磁響應(yīng)材料和雙穩(wěn)態(tài)Kresling型折紙結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一種新型的多功能驅(qū)動(dòng)器

于民間的折紙（Origami）藝術(shù)不僅具有藝術(shù)審美價(jià)值，還蘊(yùn)含數(shù)學(xué)運(yùn)算和空間幾何原理。近些年來，折紙?jiān)诳茖W(xué)界引起了越來越多的關(guān)注，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到了航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，這些應(yīng)用利用了折紙藝術(shù)變形特性來建立各式各樣多功能、易展開、可變特性的系統(tǒng)。可靠的變形需要合適的驅(qū)動(dòng)，目前常用的驅(qū)動(dòng)方式包括機(jī)械、氣動(dòng)或者以形狀記憶高分子為代表的智能材料，然而現(xiàn)有的方法往往具有驅(qū)動(dòng)器體積龐大，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)線氣動(dòng)軟管束縛，響應(yīng)速度慢，或不易實(shí)現(xiàn)分布式控制等缺點(diǎn)。

俄亥俄州立大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)和佐治亞理工學(xué)院Glaucio H. Paulino教授團(tuán)隊(duì)將磁響應(yīng)材料和雙穩(wěn)態(tài)Kresling型折紙結(jié)構(gòu)結(jié)合構(gòu)成一種新型的多功能驅(qū)動(dòng)器，通過編輯磁場(chǎng)大小方向及磁響應(yīng)材料的磁化方向，可以遠(yuǎn)程控制驅(qū)動(dòng)器在0.1s內(nèi)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換，并瞬間鎖定形狀。更重要的是無需增加任何部件即可實(shí)現(xiàn)Kresling驅(qū)動(dòng)器裝配體的分布式控制（Distributed actuation），僅通過控制單一磁場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的獨(dú)立控制，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。除此之外，Kresling驅(qū)動(dòng)器還展示了可調(diào)的機(jī)械剛度（Tunable Stiffness）特性及集成驅(qū)動(dòng)和計(jì)算（Integrated actuation and computing）于一體的能力，展示了機(jī)器人應(yīng)用的潛力。 研究成果于北京時(shí)間2020年9月15日以 “Untethered control of functional origami micro-robots with distributed actuation” 為題發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

Kresling驅(qū)動(dòng)單元的磁驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示，首先將磁化后的磁片粘貼在折紙結(jié)構(gòu)頂端，若外加磁場(chǎng)的方向與磁片的磁化方向不同，將產(chǎn)生趨向于磁場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)矩，通過控制磁場(chǎng)的方向和大小，當(dāng)磁轉(zhuǎn)矩在驅(qū)動(dòng)單元旋轉(zhuǎn)的過程中始終大于所需要克服的轉(zhuǎn)矩（圖一C中的紫色區(qū)域），則驅(qū)動(dòng)單元可以克服折紙結(jié)構(gòu)的能量壁壘，在折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)之間快速切換 （視頻一）。

圖一：Kresling驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)原理

視頻一 當(dāng)多個(gè)Kresling驅(qū)動(dòng)單元層疊在一起組成裝配體，通過設(shè)計(jì)區(qū)分各單元上磁片的磁化方向，各單元所受磁轉(zhuǎn)矩的大小和方向不同，可以實(shí)現(xiàn)裝配體各單元的同時(shí)驅(qū)動(dòng)和分布式控制。例如圖二中由兩個(gè)相同單元組成的裝配體，在完全折疊狀態(tài)下，上下兩個(gè)磁片的磁化方向相差90°，通過調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)大小和方向，裝配體可以從完全折疊狀態(tài)驅(qū)動(dòng)為其他三種狀態(tài)。 基于分布式控制的原理，當(dāng)Kresling驅(qū)動(dòng)器裝配體變?yōu)榱硗庖粋€(gè)狀態(tài)后，各單元上磁片的磁化方向也相應(yīng)的發(fā)生變化，此時(shí)驅(qū)動(dòng)所需的磁場(chǎng)方向和大小也會(huì)發(fā)生變化，通過合理設(shè)計(jì)和計(jì)算，裝配體在任意狀態(tài)之間可以實(shí)現(xiàn)直接或者間接的快速切換。

圖二：Kresling驅(qū)動(dòng)器裝配體的多單元分布式控制原理

視頻二

圖三：Kresling驅(qū)動(dòng)器裝配體各狀態(tài)間的循環(huán)驅(qū)動(dòng)

視頻三 研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了Kresling型驅(qū)動(dòng)器各單元獨(dú)立控制并協(xié)同作用帶來的潛在應(yīng)用。對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元，通過對(duì)折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以獲得不同的能量壁壘，具體到本文，折紙高度越高則能量壁壘越大。當(dāng)四個(gè)高度不同的單元層疊成裝配體時(shí)，由于每個(gè)單元的剛度均不同，裝配體結(jié)構(gòu)可以隨著狀態(tài)的切換獲得16種不同的剛度特性，配合磁驅(qū)動(dòng)可以用來設(shè)計(jì)剛度快速可調(diào)的阻尼器。

圖四：Kresling驅(qū)動(dòng)器的可調(diào)剛度特性 除此之外，雙穩(wěn)態(tài)Kresling驅(qū)動(dòng)器具有與施密特觸發(fā)器類似的特性，將輸入轉(zhuǎn)矩看成輸入信號(hào)，機(jī)械狀態(tài)看成輸出信號(hào)（展開狀態(tài)為二進(jìn)制輸出1，折疊狀態(tài)為二進(jìn)制輸出0），則輸入轉(zhuǎn)矩與輸出數(shù)字狀態(tài)0和1之間具有固定的關(guān)系。與傳統(tǒng)施密特觸發(fā)器相比，一方面，雙穩(wěn)態(tài)Kresling驅(qū)動(dòng)器的可以實(shí)現(xiàn)相似的模數(shù)轉(zhuǎn)換和信息存儲(chǔ)功能（如圖五和視頻四中展示的三位存儲(chǔ)器，分布式控制驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)信息的改變，LED實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)的信息），更重要的一方面，Kresling驅(qū)動(dòng)器還可以被動(dòng)的感應(yīng)外界負(fù)載的大小并通過磁驅(qū)動(dòng)主動(dòng)的做出響應(yīng)，因此集成了驅(qū)動(dòng)、傳感和計(jì)算的功能于一體，完美契合機(jī)器人所需要的感應(yīng)-決策-響應(yīng)的所有功能，是新一代智能機(jī)器人系統(tǒng)的潛在方案。

圖五：基于Kresling驅(qū)動(dòng)器的數(shù)字存儲(chǔ)電路

視頻四

該工作提出使用磁場(chǎng)無線驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu)裝配體，瞬間響應(yīng)的特性和簡(jiǎn)單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的諸多缺點(diǎn)，同時(shí)僅需要一個(gè)輸入源即可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝配體的分布式控制。團(tuán)隊(duì)成員表示希望下階段的工作可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合集成的傳感和計(jì)算功能，將磁驅(qū)動(dòng)折紙應(yīng)用在智能機(jī)器人領(lǐng)域。 本文通過結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)了形狀鎖定（shape-locking），趙芮可教授團(tuán)隊(duì)和佐治亞理工的齊航教授團(tuán)隊(duì)今年還通過設(shè)計(jì)一種新的材料，即磁驅(qū)形狀記憶高分子（Magnetic shape memory polymer, M-SMP）來實(shí)現(xiàn)形狀鎖定，該材料可通過控制磁加熱和磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)低溫形狀鎖定和高溫快速變形，相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。磁驅(qū)形狀記憶高分子材料 – 形狀記憶與快速形變的完美結(jié)合?

團(tuán)隊(duì)介紹：該工作由俄亥俄州立大學(xué)軟智能材料實(shí)驗(yàn)室（Soft Intelligent Materials Laboratory，鏈接: http://zhaor.engineering.osu.edu）和佐治亞理工學(xué)院計(jì)算力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Prof. Glaucio H. Paulino's Computational Mechanics Research Group，鏈接: http://paulino.ce.gatech.edu/index.html）共同完成。該工作的通訊作者為趙芮可教授和Glaucio H. Paulino教授，共同第一作者為佐治亞理工學(xué)院博士生Larissa S. Novelino，俄亥俄州立大學(xué)博士后迮棄疾博士，以及俄亥俄州立大學(xué)博士生吳帥。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/09/11/2013292117

原文標(biāo)題：PNAS：多功能磁集成Origami的分布式控制

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