引言：折紙和算盤(pán)作為折疊紙張的藝術(shù)和計(jì)算的工具，具有幾百甚至上千年的歷史，時(shí)至今日，折紙更是在生物醫(yī)學(xué)、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，那你有沒(méi)有想過(guò)折紙還可以像算盤(pán)一樣用來(lái)計(jì)算，甚至是全自動(dòng)數(shù)字式的算盤(pán)？
近日，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)在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上在線發(fā)表題為“Untethered control of functional origami micro-robots with distributed actuation”的論文，就讓這個(gè)想法成為了可能。作者將磁響應(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，若將每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元想象成一個(gè)算珠，展開(kāi)狀態(tài)時(shí)記數(shù)為1，一方面，通過(guò)單一外加磁場(chǎng)的控制即可實(shí)現(xiàn)多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的獨(dú)立控制，功能類(lèi)似于手撥算珠，另一方面，雙穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)可用于信息存儲(chǔ)，便于讀出算盤(pán)上最終記錄的結(jié)果。
從現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算角度考慮，雙穩(wěn)態(tài)Kresling驅(qū)動(dòng)器具有與施密特觸發(fā)器類(lèi)似的特性，作為一個(gè)可折疊結(jié)構(gòu)，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(kāi)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，可以實(shí)現(xiàn)相似的模數(shù)轉(zhuǎn)換和信息存儲(chǔ)功能（如圖二和視頻一中展示的三位存儲(chǔ)器，各單元的獨(dú)立驅(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）。另外，Kresling驅(qū)動(dòng)器還可以通過(guò)自身狀態(tài)的變化被動(dòng)的反應(yīng)出外界負(fù)載的大小并通過(guò)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。
Kresling驅(qū)動(dòng)單元的原理如圖三所示，折紙結(jié)構(gòu)頂端固定有磁化后的磁片，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(guò)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(guò)程中始終大于所需要克服的轉(zhuǎn)矩 （圖三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(kāi)狀態(tài)之間快速切換 （視頻二）。
當(dāng)多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元組裝在一起，通過(guò)設(shè)計(jì)各單元上磁片的磁化方向的不同并調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)的大小和方向，各單元所受轉(zhuǎn)矩的大小和方向均不同，可以實(shí)現(xiàn)裝配體各單元的同時(shí)驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立分布式控制（distributed actuation）。例如圖四和視頻三中所示，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°，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(guò)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。（圖五和視頻四）。
研究團(tuán)隊(duì)還進(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(lái)的其他潛在應(yīng)用。對(duì)于驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)剛度快速可調(diào)的阻尼器。
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(guò)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)形狀鎖定，該材料可通過(guò)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，
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：
