科学家研发像章鱼触手一样灵活的“纸弹簧”机械臂，有望实现远程无线操控手术

2021-10-14 09:36 思宇MedTech

赵芮可对 DeepTech 表示，该机械手臂并不是为了重物抓取而设计，他们设想将它或类似的设计用于操作更精细的应用中，例如医疗领域的体内环境。

传统的机械臂又大又重，并且受驱动器（电机或气动泵）的限制，如果在人员和机器访问受限的恶劣环境中，机械臂的适用性、操作灵活性和多功能性将极大被束缚。

那么，是否可以制造一种不受驱动器尺寸和管线束缚的机械臂呢？

图丨该成果在 PNAS 首页推荐（来源：PNAS）

近日，斯坦福大学赵芮可教授团队（原俄亥俄州立大学）与佐治亚理工学院联合开发了一种应用折纸结构的“纸弹簧”机械手臂，它像章鱼触手一样灵活，并且可实现远程操控及小型化。可不受驱动器限制，而是在周围磁场的变化下 “启动”，可提供集成的大收缩/展开、万向弯曲和扭曲等灵活的多自由度变形和物体抓取能力。

该团队表示，因为折纸工艺允许平面材料或结构重塑为三维结构，实现不同尺度的复杂机器人运动，可以被应用到包括变形结构、生物医学设备、航空航天和电子等工程领域。

动图丨机械臂的展开和收缩（来源：PNAS）

相关论文以《可万向弯曲和扭曲的可拉伸折纸机械臂》（Stretchable origami robotic arm with omnidirectional bending and twisting）为题发表在 PNAS，并于 9 月 7 日被推荐到 PNAS 首页。

图丨相关论文（来源：PNAS）

该研究共同一作为斯坦福大学软智能材料实验室的（原俄亥俄州立大学Soft Intelligent Materials Laboratory）博士生吴帅、博士后迮弃疾，其他作者包括俄亥俄州立大学硕士生戴继泽、加州大学伯克利分校的硕士生孙悦（原SIM Lab本科生助研）。

章鱼科研迅速地重新配置其手臂，执行游泳、步行和捕食等高度集成的任务。受这种软体头足类生物系统的启发，该团队与折纸结构单元结合，然后设计了柔顺的 “纸弹簧” 机械臂。

该机械臂实现了像章鱼手臂一样，连续的变形、可调节以及用于移动和捕食的敏捷动作。通过精确的磁驱动，实现将拉伸、折叠、万向弯曲和扭曲等功能整合的多模态变形。

图丨用于收缩/展开和全向弯曲的磁性 Kresling 单元的驱动机制（来源：PNAS）

为构建与章鱼手臂原理相似的机械臂，研究人员选择了 “分段法”。嵌入磁性颗粒的磁片和 Kresling 折纸结构被连接在一起构成单个 Kresling 结构单元，在磁场的控制下可以分时实现收缩、展开和全向弯曲。

接下来，该团队把这些单个分段单元整合连接，再把手臂放在可控的磁场中。由于每个部分都有属于自己的磁化各异的磁片，研究人员通过改变磁场的参数实现了单独控制机械臂的每个部分，它将 Kresling 结构的弯曲与展开相结合，并通过磁场的分布式驱动实现了整个机械臂的灵活控制。

动图丨四单元机械手臂的驱动机制（来源：PNAS）

研究人员指出，“将磁场计算机化，可以让用户使用类似游戏的控制器的简单操作就可以对手臂进行非常精细的控制。在这样的环境下，带有手或爪的手臂可以自由地移动变形。此外，该设计允许根据应用自由定制，包括单元数、尺寸、变形方式和程度。”

图丨具有拉伸、弯曲和扭曲运动的章鱼式机械臂（来源：PNAS）

远程磁场控制允许分布式驱动多自由度机器人系统进行复杂运动，以实现上述变形能力和功能。赵芮可告诉 DeepTech，“该研究的难点在于设计的灵活性带来的大量设计变量，增加了设计的难度，未来我们考虑采用计算机辅助优化方法来简化机械臂的设计过程。”

通过磁性 Kresling 结构的精巧设计和对施加磁场的精确控制，具有集成多模态变形的折纸机械臂可用于大收缩/展开、全向弯曲和扭曲。

除此之外，该团队表示，“磁驱动使机械臂易于小型化，具有灵活的集成变形和物体抓取的能力，允许在狭窄的生物医学环境中开发微型医疗设备，如胃、肠、气管和支气管等。”

图丨与医用导管尺寸相近的机械臂（来源：PNAS）

赵芮可对 DeepTech 表示，该机械手臂并不是为了重物抓取而设计，他们设想将它或类似的设计用于操作更精细的应用中，例如医疗领域的体内环境。 “未来，我们计划在医疗环境中进行不断地实验改进，结合现在成熟的磁场控制医疗设备，如核磁共振仪，期望将该机械臂技术不断向实际应用推进。”

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参考：
https://www.pnas.org/content/118/36/e2110023118