折纸又出新花样！既能青蛙式游泳，又能弹涂鱼式爬行的软体机器人
水生或者陆地机器人往往采用单一的驱动方式适合于某种特定的应用场景，而对于一些两栖机器人，在不同环境中也采用了相同的致动器或驱动方式，这就造成了机器人在某一环境中运动能力的下降。在调研的众多研究中发现：采用不同的水陆驱动结构或者不同的驱动方式的软体机器人是比较罕见的。
研究人员利用了多种生物的运动优势，并将其运用于单个机器人中，从而有效提升了机器人在陆地和水中的运动性能，增强了机器人的综合运动能力。但是，协调机器人在水中和陆地两种环境的驱动方式是具有挑战性的。
图1. 仿生软体机器人
南京信息工程大学杨扬副教授、刘佳教授团队联合华南理工大学李云泉副教授、上海交通大学陈飞飞副教授团队提出并成功研制了一种具有两栖运动和舌捕能力的软体机器人，研究成果以“3D Printed Origami Actuators for a Multianimal Inspired Soft Robot with Amphibious Locomotion and Tongue Hunting”为题发表在《Soft Robotics》上。该机器人由3D打印折纸致动器集成而来，Z型致动器用于后腿，模仿青蛙的游泳运动，扭转塔致动器和腹鳍型致动器的联合运动是为了模仿弹涂鱼的爬行机制，还设计了模仿青蛙捕猎运动的卷/开型致动器。研究结果证明了这些致动器在产生所需运动方面的有效性，并为应用3D打印折纸致动器开发具有仿生特征的软体机器人的潜力提供了见解。
图2. 一种具有两栖运动和舌捕能力的软体机器人
▍折纸致动器的设计
受Miura折纸启发，研究人员采用3D打印技术设计了Z型折纸致动器，并且通过设置不同的参数分析致动器的顺序展开的可编程运动轨迹。
图3. Z型折纸致动器的设计
受Miura折纸启发的Z型折纸为各种有趣的折纸结构的开发奠定了基础，从而衍生出腹鳍型折纸和卷/开型折纸两种类型的致动器。
图4. 腹鳍型和卷/开型折纸致动器的设计
研究人员还受Kresling折纸的启发设计了扭转塔型折纸致动器，并且通过设置不同的参数分析致动器在受真空压强下的可编程运动轨迹。
图5. 扭转塔型折纸致动器的设计
▍机器人的仿生结构设计
通过观察斑点青蛙游泳时大腿的运动姿态，研究人员发现：青蛙在运动周期的前40%时间内，膝关节的展开角度在130°左右，也就是说青蛙在推进时会优先激活膝关节，随后，臀关节和踝关节才会依次展开。
图6. 青蛙游泳运动分析
根据这一特性，对Z型折纸致动器进行选型，从而设计了仿蛙腿致动器。此外，机器人脚蹼还采用了一种单向设计，推进阶段会以最大面积与水面接触，恢复阶段被水流冲开从而减小阻力。
研究人员还将机器人仿蛙腿致动器在单个运动时间内的各个关节的角度与真实青蛙进行了对比，实验表明它们的运动轨迹存在高度相似的变化趋势，还测试了机器人的各个关节的变化角速度，膝关节的角速度是最快的，这也验证了机器人运动与青蛙大腿运动是存在一致性的。
图7. 机器人游泳运动分析
弹涂鱼能够依靠强壮的胸鳍和腹鳍的辅助作用在地面进行爬行，研究人员根据弹涂鱼的爬行方式设计了机器人的陆地运动方式。
图8. 弹涂鱼爬行运动分析
机器人依靠腹鳍型致动器和扭转塔致动器的联合运动实现了多种陆地爬行方式，其中前进步态是根据弹涂鱼运动方式设计而来，后退步态是在研发机器人过程中自行设计的步态。
通过将机器人与真实弹涂鱼爬行时关节角度的对比，发现：在推进过程中，它们扭转角度的趋势非常相似。
图9. 机器人爬行运动分析
为了设计一种仿蛙舌致动器，研究人员还观察青蛙在捕猎时蛙舌的运动速度，发现蛙舌的投射速度明显高于回缩时的速度。
图10. 青蛙捕猎运动分析
通过比较不同参数的仿蛙舌致动器的末端速度以及加速度，发现其加速度最快达到12m s/2，这与观察到的蛙舌快速投射机制存在一致性，通过设计的仿蛙舌致动器来模仿青蛙的捕猎运动。
图11. 机器人捕猎运动分析
▍实验验证机器人运动能力
在游泳测试中，改变气压大小和驱动频率的快慢从而优化机器人的游泳直行和转弯的速度。结果表明：机器人在水中的直线游泳速度为80 mm/s (0.6 BL /s)，转弯速度为 10.7°/s。
图12. 机器人游泳测试
在一系列陆地测试中，机器人在陆地的直线速度为0.2 BL /s，转弯速为度30°/s。此外，机器人还可以承受载荷，捕捉猎物，轨迹跟踪，避开障碍，在非结构化的地面上爬行。
图13. 机器人爬行测试
水陆两栖机器人最主要的指标还是对两栖能力的考验，通过实验平台和户外平台验证机器人不管是从陆地到水中的过渡，还是从水中到陆地的登陆都能出色完成，表现其强大的两栖跨介质能力。
图14. 机器人两栖测试
▍结论和未来工作
综上所述，这项研究的创新点在于：四种新颖的3D打印折纸致动器的设计，折纸致动器的可编程运动模式的评估，软体机器人的两栖跨介质运动的实现。1、在结构上，致动器受折纸启发并且结合仿生机理设计了机器人实体；2、在材料上，采用3D打印技术，制作简单，成本低（整个机器人制造价格不足20元人民币），重量轻（所有致动器重量不足90g），耐久度高（采用热处理技术提高致动器的使用寿命）；3、在功能上，机器人能完成九种步态，跨介质运动以及一些综合运动能力。
研究人员表示，在未来的研究中，可能会在机器人头部增加刺激响应材料，从而去感知外部环境，提升机器人的自主探测能力。此外，测试pH值和浊度等水质的传感器将被集成到两栖机器人中，以便在陆地-水过渡区进行水质监测任务。
图15. 该机器人未来的应用场景
文章链接：
https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2023.0079