Nat. Commun.: 折纸变形金刚
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变形金刚（Transformers）作为一种形状变换结构（Shape Morphing Structures），不仅在娱乐和玩具领域具有广泛影响力，其背后的技术理念也在机器人、医疗器械、建筑与结构工程等领域有着广泛应用前景。目前，大多数变形结构只能实现有限的构型变换，并且需要依赖复杂的驱动系统。如何设计一种变形结构，使其能够像孙悟空一样，从单一构型简单且高效地变化出大量多样的几何构型，是一个亟待解决的难题。
近日，北卡罗来纳州立大学的尹杰、苏浩、李艳滨和Antonio Di Lallo等团队，通过结合多级机构概念（hierarchical）和厚板折纸技术，提出了一种类似变形金刚的变体折纸超结构。该结构通过较低自由度（不超过3个驱动器），即可变化出超过一千种形态各异的构型，且具有可重构、可重组、可再编程和可逆设计等优点。通过在特定旋转轴上安装远程操控的控制系统，该结构可以实现类似变形金刚的自主变换。在无线编码指令下，短时间内可连续变换成各种所需形状和功能，例如多层建筑、桥梁、隧道，以及多模态移动变体机器人。这些机器人既可以通过身体的形状变换实现前进后退、左右横行，也可以迅速切换成传统爬行机器人模式负重前行。
该设计不受尺度限制，团队展示了其在米级、可展、可重构建筑结构中的应用，并展望了其在可重构太空机器人和太空基地中的潜在应用前景。该工作有望应用于变体机器人、快速可展可重构建筑、太空机器人及医疗设备等领域。
北京时间2024年7月26日，论文以“Adaptive Hierarchical Origami-based Metastructures”为题在线发表在Nature Communications上。
多级折纸超结构
考虑到刚性转动折纸结构可以简化为机械运动机构（Kinematic Mechanism），该工作选择了几种代表性的空间运动闭环机构作为基本结构（Level-1）和各阶机构图案（Structural Motifs）。多级折纸超结构通过将高阶机构的连杆由低阶结构替代设计而成（图1a-1b）。在实际设计中，多级机构的旋转轴和连杆分别对应于折纸结构的线型折痕和由多面体组成的结构单元（图1c）。该工作从正方体结构单元出发，从设计、理论、数值模拟及潜在应用方面系统研究了该多级折纸变体超结构。
图1：多级折纸超结构设计思路
该超结构的超级变形能力源自基础阶结构的内部链接方式。受厚板折纸工艺启发，设计的一阶机构折痕可形成过约束空间闭环，在变形过程中产生路径分叉，从而变化出多种三维结构（图2a）。将此概念拓展至高阶结构（图2b-2c），进一步强化其变形能力。例如，研究的二阶结构（图2b）可将起始厚板构型变化出超过1000种不同三维形状。
研究还发现，通过改变线型折痕的链接位置（图2d-i）和低阶结构的空间对称性（图2d-ii），该超结构可以进行可再编程设计。通过计算，仅二阶结构即可组合设计出近百万种变种类型。再编程设计出的结构可变化出更多其他形状（图3d）。
图2：由正方体作为结构单元的多级折纸变体超结构
连续性变形特征
研究发现，从初始结构状态出发，该多级折纸超结构可沿不同路径重构成数量繁多、形状各异的结构。图3显示，该结构在每条变形路径上均表现出连续性变形的特点。理论验证表明，这种多路径连续变形特点源于结构的多自由度特性和可分叉变形的特征。尽管变形体看起来结构复杂，研究发现所有展示的两两变形体之间的变形过程所需自由度小于3，从而大大简化了驱动结构的设计和实现。
进一步研究发现，实现这些变形过程只需极其简单的线性变形机理。简而言之，该工作设计出了一种能够从原始简单结构变化出大量变体的结构，其变形过程和变形机理极为简便。
图3：二级结构折纸变体超结构连续变形展示
自主变体机器人
该工作设计的多级折纸变体超结构可应用于变形金刚可重构机器人设计。通过分析各阶结构的运动学变形机理，研究发现只需在特定折痕位置安装控制和驱动系统（图4a），即可通过远程操控，使各阶结构自主变形实现复杂的机器人运动（图4c-4f），比如前进后退、左右横行、以及切换成爬行模式等。
图4：类变形金刚自主可重构机器人
二级结构也可以自主变换成各种类似建筑结构，比如拱门、桥梁、多层展开建筑等，并可承受超过10公斤的重量（图5a-c）。实现复杂构型变化，最多只需驱动3个马达即可（图5d）。
图5：类建筑自主可重构结构
研究还发现，该多级折纸结构可推广到大尺度应用，如临时庇护所和规避结构的构建。此外，消除重力影响后，该结构还可设计成可重构变体航天器，变化出各种形状以应对太空环境，或通过可重组功能并行完成多项探索任务（图6）。
图6：米级大尺度多级折纸可重构建筑结构以及太空机器人以及基地应用
展望
该工作利用多级机构概念和厚板折纸技术，丰富了变体结构的形变数量和类别。该原理可推广至二维折纸结构、其他几何形状的结构单元，甚至模块化三维结构。此结构变形无需复杂的变形机理和高自由度，从而保证了变形过程的可控性和高效性。未来，这种结构可应用于设计可重构的快速变形便捷式临时建筑、可重组变体航天器等。
北卡州立大学尹杰，苏浩和李艳滨为该论文共同通讯作者，博士后李艳滨博士和Antonio Di Lallo博士为论文的共同第一作者，其它作者还包括博士生朱俊熙和赤银鼎。
文章信息：
Y. Li, A. Di Lallo, J. Zhu, Y. Chi, H. Su, J. Yin, Adaptive hierarchical origami-based metastructures, Nature Communications, (2024) https://doi.org/10.1038/s41467-024-50497-5
团队介绍：
尹杰团队(https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/)目前致力于力学、智能材料以及智能结构在软体机器人、机械超材料、以及多功能形变节能材料上的基础以及应用研究。近期代表性原创成果包括：
软机器人方向：
自主智能软机器人 (Qi et al., PNAS, 121, e2312680121, 2024; Zhao et al., Sci. Adv., 9, eadi3254, 2023; Zhao et al., PNAS, 119, e2200265119, 2022; Zhao et al., Adv. Mater. 202207372, 2022);
3D打印形状记忆迷你液压软驱动器（Qing et al., Adv. Mater., 2402517, 2024）;
无损伤剪纸机械手 (Hong et al., Nat. Commun. 14, 4625, 2023);
快速高效蝶泳软机器人 (Chi et al., Sci. Adv., 8, eadd3788, 2022);
仿猎豹奔腾软机器人 (Tang et al., Sci. Adv., 6, eaaz6912, 2020);
机械超材料方向：
多级可重构超结构（Li et al., Nat. Commun. 2024）;
可重构机械计算超结构（Li et al., Sci. Adv., 10, eado6476, 2024）;
三维形变剪纸（Hong et al., Nat. Commun. 13, 530, 2022）；
三维立体模块剪纸超材料（Li et al., Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Li et al., Mater. Today Phys., 100511, 2021）;
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