報紙可以自己走路到你家?摺紙變形機器人走起來~

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自折疊機器人的三階段變形。Credit: Seth Kroll, Wyss Institute

面前一張平凡無奇的紙,突然動了起來,它慢慢出現四肢,豎起身體,有了輪廓和肌肉線條,接著它跳了起來!往前奔跑。這可不是什麼魔術或是科幻小說的劇情,麻省理工(MIT)與哈佛大學(Harvard)的科學家,合作開發了一款可自行由平面材料摺疊成型的機器人[1],同時擁有「變形」和「行走」兩種能力。

這隻機器人發表於今年8月的Science Issue,外觀上,它是由ㄧ張內嵌電路的平面基材為主體,上面裝設了馬達和少輛驅動零件。當啟動時,基材會自主摺疊,使原本攤平在桌面上的二維結構開始立體化,形成有點像是青蛙的三維結構;變形完成後,馬達可以帶動立體化的身軀和腳,使機器人跳躍向前。(如下影片)

其實在今年春天的IEEE國際機器人及自動化會議上,這項技術已有了雛形,那時科學家提出ㄧ種「受熱控制機器人」的概念,其鐳射切割製作的基材可透過平均加熱來自行組裝;而現在這款新型機器人也是運用了類似的技術,只是科學家將加熱源以電線的形式埋入平面基材內層,取代了過去使用的烤箱或是加熱板等外部熱源,直接控制各個關節上的摺疊運動。

分析它的結構,這隻機器人的主體是5片平面材料組合而成,由內而外最中間的是銅層,以蝕刻技術刻出了複雜的電路,銅層外部是兩片紙層,最外層則是具備記憶效果的聚合物,一旦受熱,聚合物的體積形狀會改變,使整片基材彎曲摺疊。上述基材都可用鐳射切割成設計的圖樣,劃分出關節與支撐的主體,再加以黏接組裝。基材完成後,作為控制端的微處理器和小馬達(其數量可以不只ㄧ個)會被裝設到基材表面,構成完整的機器人。(製作過程影片

從技術面來看,這款機器人最獨特的地方,在於它可以透過摺疊的方式由二維平面變形成三維的立體結構。Rus、 Demaine和Wood三位參與此研究的科學家在之前便發表了ㄧ套方法,可將任何數位化的3D結構轉換成可由摺疊建構的骨架圖樣;而這套計算方法,也實際應用到了這款機器人上。

目前這款機器人受限於材質,其最大的摺疊角度為150度(通常最理想情況會希望基材可以無限制地往兩個方向摺疊180度,如此不論在設計上或是在運動形態上都可以有更大的自由度),不過雖說150度會無法讓摺疊的材料完全重疊,但在應用上,已可以完成大部份的變形和動作。針對這項缺點,除了未來可以在材料上進行改良外,Demaine也認為可以直接從他們過去發展的演算法上做改變,如果能夠直接從設計上達到「以150度摺疊以內為條件,建構出各種三維結構」,便可以有效提升這款機器人的應用度。

有了這種機器人,在未來是不是有可能讓各種報紙甚至是實體公文「自己」走到該去的地方呢XD

 

延伸閱讀:

參考資料:

  1. A method for building self-folding machines, S. Felton et al., Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1252610

資料來源:Origami robot made almost entirely of printable parts folds itself up, crawls away [PHYS.ORG, August 7, 2014]

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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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