Inflatable Kirigami Crawlers

📄 arXiv: 2502.06466v2 📥 PDF

作者: Burcu Seyidoğlu, Aida Parvaresh, Bahman Taherkhani, Ahmad Rafsanjani

分类: cs.RO

发布日期: 2025-02-10 (更新: 2025-06-05)

💡 一句话要点

提出基于可充气 Kirigami 结构的软体爬行器，实现可控形变与移动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: Kirigami 软体机器人 气动驱动 可充气结构 运动控制

📋 核心要点

  1. 传统气动驱动器对称形变限制了其运动能力，难以实现复杂运动。
  2. 利用 Kirigami 结构切割图案，实现可控的非对称形变，驱动软体爬行器。
  3. 实验表明，该驱动器具有方向各异的摩擦特性，可在不同粗糙度表面移动。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种可充气 Kirigami 爬行器，通过在热封纺织品上引入切割图案，利用循环气动驱动实现移动。与传统气囊充气时产生的对称膨胀和收缩不同，充气 Kirigami 驱动器中累积的压缩力打破了对称性，使收缩幅度比简单气囊提高了两倍，并触发了密封边缘的局部旋转，这些边缘重叠并自组装成具有类似鳞片特征的结构化表面。因此，可充气 Kirigami 驱动器表现出均匀、可控的收缩以及非对称的局部面外变形。该过程使我们能够利用几何和材料的非线性，赋予基于纺织品的可充气 Kirigami 驱动器可预测的运动功能。我们彻底表征了这些驱动器的可编程变形及其对摩擦力的影响。研究发现，Kirigami 驱动器在充气时表现出方向各异的摩擦特性，其摩擦系数在运动方向上较高，使其能够在不同粗糙度的表面上移动。我们还通过引入多个通道和段来增强可充气 Kirigami 驱动器的功能，从而创建具有多种运动功能的功能性软体机器人原型。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体机器人通常依赖于复杂的控制系统或材料来实现运动。传统的气动驱动器在充气时往往产生对称的膨胀和收缩，限制了其运动的灵活性和效率。因此，如何设计一种简单、高效且可控的软体机器人运动方式是一个挑战。

核心思路：本研究的核心思路是利用 Kirigami 结构（一种通过切割和折叠实现材料变形的技术）来控制气动驱动器的形变。通过在纺织品上设计特定的切割图案，使得充气时产生的力能够打破对称性，从而实现可预测的、非对称的运动。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 设计 Kirigami 切割图案；2) 将切割图案应用于热封纺织品；3) 密封纺织品边缘形成可充气的驱动器；4) 通过循环气动驱动，观察和分析驱动器的形变和运动特性；5) 通过多通道和分段设计，进一步增强驱动器的功能，构建软体机器人原型。

关键创新：该研究的关键创新在于将 Kirigami 结构与气动驱动相结合，实现了对软体机器人运动的精确控制。与传统的对称气动驱动器相比，Kirigami 结构能够引导压缩力打破对称性，产生非对称的局部面外变形，从而实现更高效、更灵活的运动。

关键设计：Kirigami 切割图案的设计是关键。图案的几何形状、切割密度和方向都会影响驱动器的形变和运动特性。此外，纺织品的选择（热封性能、弹性模量等）以及气动驱动的参数（气压、频率等）也需要仔细调整，以实现最佳的运动效果。研究中还采用了多通道和分段设计，通过独立控制不同区域的充气，实现了更复杂的运动模式。

📊 实验亮点

实验结果表明，与传统气囊相比，Kirigami 驱动器的收缩幅度提高了两倍。此外，该驱动器在充气时表现出方向各异的摩擦特性，在运动方向上的摩擦系数较高，使其能够在不同粗糙度的表面上移动。通过多通道和分段设计，研究人员成功构建了具有多种运动功能的功能性软体机器人原型。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于医疗机器人、搜救机器人、工业自动化等领域。例如，可用于开发微创手术机器人，在狭小空间内进行精确操作；也可用于开发能够在复杂地形中移动的搜救机器人，执行危险环境下的任务。此外，该技术还可用于开发可穿戴设备，如智能服装，用于辅助运动或康复。

📄 摘要（原文）

Kirigami offers unique opportunities for guided morphing by leveraging the geometry of the cuts. This work presents inflatable kirigami crawlers created by introducing cut patterns into heat-sealable textiles to achieve locomotion upon cyclic pneumatic actuation. Inflating traditional air pouches results in symmetric bulging and contraction. In inflated kirigami actuators, the accumulated compressive forces uniformly break the symmetry, enhance contraction compared to simple air pouches by two folds, and trigger local rotation of the sealed edges that overlap and self-assemble into an architected surface with emerging scale-like features. As a result, the inflatable kirigami actuators exhibit a uniform, controlled contraction with asymmetric localized out-of-plane deformations. This process allows us to harness the geometric and material nonlinearities to imbue inflatable textile-based kirigami actuators with predictable locomotive functionalities. We thoroughly characterized the programmed deformations of these actuators and their impact on friction. We found that the kirigami actuators exhibit directional anisotropic friction properties when inflated, having higher friction coefficients against the direction of the movement, enabling them to move across surfaces with varying roughness. We further enhanced the functionality of inflatable kirigami actuators by introducing multiple channels and segments to create functional soft robotic prototypes with versatile locomotion capabilities.