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柔性机器,变形!

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传统的机械要实现复杂的功能,就必须将多种刚性部件组合起来,这既不经济也不实用。经过几十年的研究,单部件柔性机械装置很快就会出现。也许在不久的将来,现在看起来精密复杂的机械会变成古董。

虽然结构有些复杂,但通过对外环施加压力,由单件材料制成的可变形鸢尾花可以完全改变几何形态。

利用弹性设计,柔性的、可变形的面层能替代传统的刚性襟翼。

雨刷器骨架也能用单块材料制造出来。

一块塑料就能够实现含有20 多个零件的普通订书机的功能。

对蠕虫、章鱼和其他软体动物来说,没有刚性骨骼并不是缺憾,因为它们可以利用弹性流体的原理来行动。它们的身体中充满了纤维,具有一个由肌管包裹着、充满液体的密闭腔体。纤维对肌肉收缩起到拮抗作用,它们在决定运动幅度范围的同时,还能将力均匀的散布在整个身体上。密歇根大学的工程师们正在研制基于同样原理的“机器人”。这类机器人具有很好的应用前景,如用于辅助肢体运动的矫形器械;或用于处理易碎的物品,同时在工作中不会伤害到人类。

以前,很多研究人员在设计蛇形机器人时,通常会使用分段式“身体”——由一个个驱动元件组成的长链。相反,密歇根大学的斯里达尔·科塔和乔舒亚·毕晓普· 莫泽决定,在一段由纤维加强的合成橡胶弹性体外壳(fiber-reinforced elastomericenclosureFREE中注入加压液体。FREE 是一段由2~3 层纤维网加强的弹性聚合物构成的中空圆柱体。纤维绕圆柱旋转的角度,决定了其中的液体被加压时将会产生何种形变。

出于概念验证的目的,毕晓普·莫泽用FREE 制作了一条可以抓住管子的“机器蛇”,它由一段包裹着天然纤维,里面充有空气的合成橡胶弹性体管制成。当空气被加压时,FREE 会变形成螺旋状,进而挤压管子的内壁(或者缠绕管子的外壁)。从理论上来说,这种“抓管蛇”能够承受相当于自身重量100 倍的负载。

因为纤维的长度和方向是固定的,单个FREE 在压力下只能以一种方式进行形变。目前供职于伊利诺伊大学香槟分校的吉里什·克里希南和毕晓普·莫泽将多个FREE 组合起来,使其能够实现更大范围的运动。通过给不同的FREE加压,由多个FREE 构成的组合体就能变成不同的形状。在下面的组图中,加压的FREE 用彩色标注,灰色的FREE 则是未加压的。

虽然将FREE用于软体机器人的研究才刚刚起步,但根据毕晓普·莫泽和科塔介绍,这种技术可以应用在医学设备、管道检修设备,甚至柔软且灵活的生产线机器人上,它们能够处理目前的机器人无法处理的易碎物品。


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