瓢蟲翅膀通過精妙的節(jié)肢彈性蛋白和翅脈布置使柔軟的薄膜翅膀同時(shí)具有能量存儲和自鎖的功能。前者使翅膀可以在100毫秒內(nèi)迅速展開，后者可以讓翅膀在飛行過程中承受巨大的氣動(dòng)力。在不使用時(shí)，這種薄膜翅膀還可以緊密折疊回收至甲殼之下。
PNAS, 2017, 114(22).
相比于令人驚嘆的自然構(gòu)造，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)至今仍無法有機(jī)地結(jié)合上述特性。可收縮管狀外伸構(gòu)件（Storable tubular extendible member, STEM）盡管具有良好的能量存儲和自鎖特性，然而卻較難平整地折疊儲存；折紙結(jié)構(gòu)（origami）盡管提供了緊湊且輕巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然而缺乏能量存儲和自鎖能力。加裝額外的輔助性構(gòu)件雖然可以解決這一問題，但是需要犧牲origami的緊湊性。
造成origami上述問題的根源就在于傳統(tǒng)的origami結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將結(jié)構(gòu)基元視為高硬度材料，它們通過低硬度的柔軟關(guān)節(jié)連接在一起從而實(shí)現(xiàn)折疊。然而柔軟關(guān)節(jié)和高硬度基元在折疊和伸展均不具備儲能和自鎖的特性。
近日，韓國首爾國立大學(xué)（Seoul National University，SNU）的Kyu-Jin Cho教授研究團(tuán)隊(duì)受瓢蟲翅膀啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種以聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）彎曲薄片為結(jié)構(gòu)基元，抗撕裂面料為柔性連接的柔性origami結(jié)構(gòu)。彎曲的PET基元同時(shí)提供了儲能和自鎖性能，并且被折疊平整的PET基元可在116毫秒內(nèi)完全展開，展開后的origami結(jié)構(gòu)可承受150倍于自身重量的荷載。這一設(shè)計(jì)策略有效解決了origami結(jié)構(gòu)不儲能、不自鎖的固有問題，為可伸縮滑翔翼和origami彈跳機(jī)器人等應(yīng)用提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間。該工作以“Ladybird beetle-inspired compliant origami”為題發(fā)表在Science Robotics上。韓國首爾國立大學(xué)的Kyu-Jin Cho教授為唯一通訊作者。
來看下這個(gè)瓢蟲機(jī)器人有多酷：
瓢蟲機(jī)器人被人從高空釋放，自行展開翅膀，飛行，落地后自行折疊翅膀，爬行
遇到跳臺，打開翅膀飛行
瓢蟲啟發(fā)的柔性origami結(jié)構(gòu)
瓢蟲啟發(fā)的柔性origami結(jié)構(gòu)及其靈感來源如圖1所示，其具體的制備流程如下：
1）通過激光切割在兩片PET薄片上切割定位針孔，并在涂有熱敏膠的一邊切割出折疊線；
2）在抗撕裂面料上用激光切割出定位針孔；
3）疊放PET薄片和抗撕裂面料；
4）將疊放好的origami結(jié)構(gòu)放入模具中；
5）加熱加壓模具至110?oC,1 MPa并保持5分鐘；
6）冷卻至室溫并取出；
7）裁剪結(jié)構(gòu)輪廓。所得柔性origami結(jié)構(gòu)有正向和反向折疊兩種模式，其折疊力矩的峰值具有非對稱性，兩個(gè)峰值之間即為柔性origami結(jié)構(gòu)的自鎖區(qū)域，其自伸展所需能量來源于折疊過程中柔性基元展平時(shí)儲存的彈性勢能。
柔性origami結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括薄片寬度（w）、厚度（t）和彎曲半徑（r）。在設(shè)計(jì)origami結(jié)構(gòu)時(shí)，主要關(guān)心的性能包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量（mass）、最大形變（strain）、自鎖力矩（locking moment）和能量存儲（energy）。各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響如圖2所示。為滿足設(shè)計(jì)要求，可先優(yōu)化厚度，再基于質(zhì)量和最大形變的要求對薄片寬度和彎曲半徑進(jìn)行調(diào)整。
通過疊放兩片柔性origami結(jié)構(gòu)，并調(diào)整其長度和相對位置，可將origami結(jié)構(gòu)的正向和反向折疊力矩差異擴(kuò)大至6倍，從而實(shí)現(xiàn)正向易折疊，反向承受氣動(dòng)力的特性。基于上述原理并采用單軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定柔性origami結(jié)構(gòu)，可以制備可高度折疊（折疊后尺寸僅為原來的1/8）、多運(yùn)動(dòng)模式、自伸展、輕量化的滑翔翼。此類滑翔翼不再需要輔助構(gòu)件幫助伸展或鎖定機(jī)翼，因而有效減輕了重量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，提高了飛行時(shí)的能量利用效率和可靠性。
傳統(tǒng)的跳蚤機(jī)器人的連接關(guān)節(jié)不具有儲能的特性，因而在彈跳時(shí)，彎曲的關(guān)節(jié)并不能為跳躍提供能量支持。將構(gòu)成跳蚤機(jī)器人的結(jié)構(gòu)單元替換成柔性origami結(jié)構(gòu)后，折疊成薄片的origami結(jié)構(gòu)不僅僅將能量存儲于橡膠繩中，其結(jié)構(gòu)基元也同時(shí)儲存了能量，因而跳躍高度比傳統(tǒng)的跳蚤機(jī)器人高出了50%。
總結(jié)
本文提供了一種全新的origami結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并探討了相關(guān)的力學(xué)原理和應(yīng)用場景。通過改變?nèi)嵝詏rigami基元的形狀，可以讓origami結(jié)構(gòu)同時(shí)具有儲能和自鎖的特性，進(jìn)而降低對輔助結(jié)構(gòu)的依賴性。然而本文僅探討了一種彎曲結(jié)構(gòu)，其它可能的儲能結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步探索。此外，在應(yīng)用過程中，如何實(shí)現(xiàn)能量的動(dòng)態(tài)存儲和釋放以及結(jié)構(gòu)形態(tài)的動(dòng)態(tài)控制仍然是有待解決的問題。
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