导读

去年年初，哈佛大学John A. Paulson 工程与应用科学学院（SEAS）的一支研究团队为世界带来了蛇形机器人kirigani。他们运用传统的剪纸技术，模拟了蛇爬行时鳞片的运动方式，让业内人士们眼前一亮。时隔一年，他们又带着升级版的kirigani出现在大众的面前。

作者：溪岚

还记得这条红色的“小蛇”吗？它就是去年年初亮相的哈佛大学蛇形机器人——kirigani。当时，它以仿蛇鳞收缩的方式进行移动而在蛇形机器人中“C位出道”，赚足了观众的眼球。最近，哈佛大学的研究人员又为它进行了升级，让它爬得更快，动作更精准。

初代kirigani机器人由一张扁平的剪纸以及一个弹性执行器构成，当弹性执行器内注入空气时，机器人身体拉伸，折纸上切割出的鳞片便会张开；释放空气时，鳞片闭合成原样。

一张一合的交替中，鳞片产生的摩擦力便会拉着机器人向前挪动。

而新一代的kirigani拥有了更加智能的“蛇皮”，研究人员对它的鳞片进行了编程，使其能够更加精确地进行收缩。

如下图，最上方的就是初代选用的方法，即全身鳞片同时收缩。中间的是研究人员所做的实验，即以传播的形式，让鳞片从尾到头地进行收缩。最下方则是新一代kirigani所采用的方法，分段收缩：即前端某一段同时收缩，后半部分则以传播形式收缩。

可以看出，全身传播的方式比起同时收缩速度更慢，而分段收缩则速度最快，爬行距离更远。

这是由于同时收缩的方式使机器人其在运动时，一旦释放空气，前端也会向后收缩一小段距离，因此浪费了一定的移动长度。

而机器人在进行分段运动时，由于后半部分传播收缩结束后，前端部分收缩还未完成，其前端依然能牢牢抓住地面，使其免于向后退回。

虽然听起来复杂，但其实研究人员只需要控制曲率以及鳞片切口的大小，就可以实现分段运动了。当鳞片切口大小一致时，鳞片收缩可以均匀地从一段传播到另一端。

而当机器人前后两端的鳞片切口大小不一致时，在此基础上，再对弹性执行器进行编程，使其按特定顺序变形，便能够达到分段收缩的效果。

SEAS的研究人员表示：“借鉴相变材料的理念，我们将之运用到了基于 Kirigami 的构建设计上，证明了（鳞片）弹出和未弹出的形态可以同时在蛇形机器人上存在。”

不仅是鳞片收缩方式会对机器人产生影响，不同的鳞片形状也会影响机器人的弹性、拉伸度等因素。例如在线形、方形和三角形鳞片三者的对比中，线形鳞片的拉伸长度最长，三角形鳞片的变形程度最大，方形鳞片的变形度最差、鳞片展开速度最快。

初代kirigani的实验也证明了不同的鳞片形状会对机器人的爬行效率产生影响。研究人员对圆形、三角形和梯形鳞片进行了比对，发现梯形鳞片会使机器人产生更大的位移，恰巧这种形状的鳞片也与蛇鳞最为相似。

研究人员表示，这个研究的自由度很高，因为人们可以随意选择自己喜欢的鳞片切割方式，只需要将切割好的纸卷起来拉一拉就能得出自己想要的结果。

kirigani的制作过程特别简单，只需要几个步骤就能完成，有兴趣的朋友们可以自己动手操作一下。

步骤1：把纸（材料）切割成需要的形状↓

步骤2：把切好的纸卷一卷，打两排孔

步骤3：在两端加上把手，用胶水粘好

步骤4：最后拽一拽，一只带鳞片的蛇形机器人就做好啦！

别看kirigani的身子小小的，也不太结实的样子，但是研究人员相信，有朝一日这样的机器人可以用来探索其他机器人难以驾驭的环境，或者制作成用于执行腹腔镜医疗程序的设备。为了实现这些目标，该团队下一步将会通过开发逆向设计模型来创建更复杂的变形。

有关kirigani的研究已经发表在近日出版的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，传送门：

https://www.pnas.org/content/early/2019/04/05/1817763116

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