科學家研發像章魚觸手一樣靈活的“紙彈簧”機械臂，有望實現遠程無線操控手術

傳統的機械臂又大又重，并且受驅動器（電機或氣動泵）的限制，如果在人員和機器訪問受限的惡劣環境中，機械臂的適用性、操作靈活性和多功能性將極大被束縛。

那么，是否可以制造一種不受驅動器尺寸和管線束縛的機械臂呢？

近日，斯坦福大學趙芮可教授團隊（原俄亥俄州立大學）與佐治亞理工學院聯合開發了一種應用折紙結構的“紙彈簧”機械手臂，它像章魚觸手一樣靈活，并且可實現遠程操控及小型化。可不受驅動器限制，而是在周圍磁場的變化下“啟動”，可提供集成的大收縮/展開、萬向彎曲和扭曲等靈活的多自由度變形和物體抓取能力。

該團隊表示，因為折紙工藝允許平面材料或結構重塑為三維結構，實現不同尺度的復雜機器人運動，可以被應用到包括變形結構、生物醫學設備、航空航天和電子等工程領域。

相關論文以《可萬向彎曲和扭曲的可拉伸折紙機械臂》為題發表在PNAS，被推薦到PNAS首頁。

該研究共同一作為斯坦福大學軟智能材料實驗室的（原俄亥俄州立大學）博士生吳帥、博士后迮棄疾，其他作者包括俄亥俄州立大學碩士生戴繼澤、加州大學伯克利分校的碩士生孫悅（原SIM Lab本科生助研）。

章魚科研迅速地重新配置其手臂，執行游泳、步行和捕食等高度集成的任務。受這種軟體頭足類生物系統的啟發，該團隊與折紙結構單元結合，然后設計了柔順的“紙彈簧”機械臂。

該機械臂實現了像章魚手臂一樣，連續的變形、可調節以及用于移動和捕食的敏捷動作。通過精確的磁驅動，實現將拉伸、折疊、萬向彎曲和扭曲等功能整合的多模態變形。

為構建與章魚手臂原理相似的機械臂，研究人員選擇了“分段法”。嵌入磁性顆粒的磁片和Kresling折紙結構被連接在一起構成單個Kresling結構單元，在磁場的控制下可以分時實現收縮、展開和全向彎曲。

接下來，該團隊把這些單個分段單元整合連接，再把手臂放在可控的磁場中。由于每個部分都有屬于自己的磁化各異的磁片，研究人員通過改變磁場的參數實現了單獨控制機械臂的每個部分，它將Kresling結構的彎曲與展開相結合，并通過磁場的分布式驅動實現了整個機械臂的靈活控制。

研究人員指出，“將磁場計算機化，可以讓用戶使用類似游戲的控制器的簡單操作就可以對手臂進行非常精細的控制。在這樣的環境下，帶有手或爪的手臂可以自由地移動變形。此外，該設計允許根據應用自由定制，包括單元數、尺寸、變形方式和程度。”

遠程磁場控制允許分布式驅動多自由度機器人系統進行復雜運動，以實現上述變形能力和功能。趙芮可表示，“該研究的難點在于設計的靈活性帶來的大量設計變量，增加了設計的難度，未來我們考慮采用計算機輔助優化方法來簡化機械臂的設計過程。”

通過磁性Kresling結構的精巧設計和對施加磁場的精確控制，具有集成多模態變形的折紙機械臂可用于大收縮/展開、全向彎曲和扭曲。

除此之外，該團隊表示，“磁驅動使機械臂易于小型化，具有靈活的集成變形和物體抓取的能力，允許在狹窄的生物醫學環境中開發微型醫療設備，如胃、腸、氣管和支氣管等。”

趙芮可表示，該機械手臂并不是為了重物抓取而設計，他們設想將它或類似的設計用于操作更精細的應用中，例如醫療領域的體內環境。“未來，我們計劃在醫療環境中進行不斷地實驗改進，結合現在成熟的磁場控制醫療設備，如核磁共振儀，期望將該機械臂技術不斷向實際應用推進。”（摘自美《深科技》） （編輯/克珂）