《Science》！解扣起跳的繩子，用拓?fù)鋵W(xué)刷新微型機(jī)器人跳躍極限

一根幾毫米長(zhǎng)的“智能繩子”，能在毫秒間激烈地解開自身的繩結(jié)，像跳蚤一樣將自己彈射到1.8米高空，還能完成后空翻、旋轉(zhuǎn)，甚至像回旋鏢一樣飛回來。

這不是魔術(shù)，是本周剛剛發(fā)表在國際頂刊《Science》上的一項(xiàng)突破性研究，由賓夕法尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成。他們揭示了一種全新的微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式，通過“解結(jié)”來釋放巨大能量，讓軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了前所未有的跳躍和飛行能力。

01.

核心秘密：當(dāng)復(fù)合材料遇上繩結(jié)拓?fù)?/strong>

傳統(tǒng)微型跳躍機(jī)器人的痛點(diǎn)在于，既要足夠柔軟以變形儲(chǔ)能，又要足夠剛硬以承受沖擊，還要足夠輕巧。跳高紀(jì)錄往往由笨重的剛性系統(tǒng)保持，而靈活的軟體機(jī)器人跳得還不夠高。

這項(xiàng)研究的巧妙之處，就在于它用“復(fù)合材料+繩結(jié)拓?fù)洹钡慕M合拳，優(yōu)雅地解決了這個(gè)矛盾。

• 復(fù)合材料：一根“軟硬兼施”的智能纖維

研究人員制造了一種特殊的復(fù)合纖維。它的“芯”是柔韌但超強(qiáng)、超硬的凱夫拉（Kevlar）單絲，而“皮”則是一層液晶彈性體（LCE），里面還摻入了碳納米管和纖維素納米晶體來增強(qiáng)性能。

這層LCE外殼就是動(dòng)力的源泉。它內(nèi)部的棒狀分子（液晶基元）可以在特定排列下，受熱時(shí)沿著排列方向收縮，而在垂直方向膨脹。通過在紫外固化時(shí)給纖維預(yù)先加上扭轉(zhuǎn)，研究人員就將這種各向異性“寫入”了材料，使其在受熱時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)大的解捻驅(qū)動(dòng)力。

這套“軟殼硬芯”的組合，使得最終纖維的楊氏模量高達(dá)4.3 GPa，儲(chǔ)能能力是純LCE的143倍。

• 繩結(jié)拓?fù)洌骸敖饨Y(jié)”即飛躍

有了這根“軟殼硬芯”的纖維，只需把它打成一個(gè)結(jié)，一個(gè)充滿彈性能的“彈簧-扳機(jī)”系統(tǒng)就構(gòu)建完成了。

當(dāng)用熱或光將其加熱到約90℃時(shí)，LCE外殼軟化并觸發(fā)預(yù)存的扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生足以克服摩擦力的驅(qū)動(dòng)力。繩結(jié)會(huì)瞬間“解扣”，將儲(chǔ)存的彎曲彈性能爆發(fā)式地釋放，就像突然扣動(dòng)扳機(jī)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以作為驗(yàn)證：一個(gè)長(zhǎng)6.5毫米、直徑1毫米的繩結(jié)，在314毫秒內(nèi)就跳到了1.8米的高度，這個(gè)跳躍高度是其自身長(zhǎng)度的近280倍，

快速跳躍的 LCE 結(jié)

性能不僅超越了幾乎所有同類軟體機(jī)器人，甚至可以與自然界中的跳蚤（跳躍高度約150倍體長(zhǎng)）一較高下。

02.

用“繩結(jié)幾何學(xué)”為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航

繩結(jié)“解扣”所釋放的能量遠(yuǎn)不止跳得高，這項(xiàng)研究真正開創(chuàng)性的地方在于：繩結(jié)怎么打，直接決定了它騰空后做什么動(dòng)作。

訣竅藏在兩種能量的配比里。復(fù)合纖維被打成結(jié)后，內(nèi)部同時(shí)儲(chǔ)存了兩種彈性能，彎曲帶來的能量，和扭轉(zhuǎn)帶來的能量。二者誰占上風(fēng)，決定了運(yùn)動(dòng)的類型。

彎曲能遠(yuǎn)大于扭轉(zhuǎn)能，比如一個(gè)簡(jiǎn)單的不對(duì)稱單結(jié)，解扣瞬間纖維會(huì)像甩鞭子一樣揮動(dòng)“長(zhǎng)腿”擊打地面，順勢(shì)完成一個(gè)后空翻。

扭轉(zhuǎn)能占主導(dǎo)，比如一個(gè)8字結(jié)，纖維則圍繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，像子彈一樣彈射出去。

基于幾何形狀的跳躍捕捉

還有一個(gè)關(guān)鍵變量：解扣需要幾步。

有些結(jié)一步就能解開，動(dòng)作干凈利落；有些結(jié)則要分好幾步，像精心編排的序列。把幾個(gè)單結(jié)串聯(lián)起來，就能編排出一套騰空后先翻轉(zhuǎn)、再旋轉(zhuǎn)、最后解體彈飛的“空中體操”。

為多功能運(yùn)動(dòng)編程紐結(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

換句話說，研究人員把“打結(jié)”變成了一套運(yùn)動(dòng)編程語言：打什么樣的結(jié)，就輸出什么樣的動(dòng)作序列。

03.

裝上翅膀：從回旋鏢飛行到自播種

團(tuán)隊(duì)并未止步于跳躍。他們將這套運(yùn)動(dòng)控制能力進(jìn)一步延伸到了飛行，給一個(gè)能后空翻的繩結(jié)裝上聚酰亞胺葉子翼，致動(dòng)器躍起后竟沒有沿拋物線落地，而是畫出一條三維曲線，像回旋鏢一樣飛回了起點(diǎn)附近。

其原理在于，后空翻產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)力矩與機(jī)翼兩側(cè)氣流速度差產(chǎn)生的空氣動(dòng)力相互耦合，共同將飛行軌跡拉回。

若將機(jī)翼裝在旋轉(zhuǎn)型繩結(jié)上，則能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的空中旋轉(zhuǎn)和垂直下降。這種下降的推力甚至足以讓致動(dòng)器自旋著“鉆”入土壤。

研究團(tuán)隊(duì)展示了攜帶芝麻菜和松樹種子的致動(dòng)器，在鉆入土壤幾天后，芝麻菜種子僅用4天、松樹種子7天后便成功發(fā)芽，為“空中自播種”提供了顛覆性的想象空間。

各種飛行模式

總而言之，這項(xiàng)研究將古老的“繩結(jié)”轉(zhuǎn)化為一種全新的能量和信息編碼手段，從儲(chǔ)能、促發(fā)到多模態(tài)運(yùn)動(dòng)一氣呵成。這或許開啟了軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)新范式——不僅模仿自然界的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，更開始復(fù)刻其充滿爆發(fā)力和多樣性的運(yùn)動(dòng)過程。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed0434