Tailoring materials into kirigami robots

📄 arXiv: 2510.07027v1 📥 PDF

作者: Saravana Prashanth Murali Babu, Aida Parvaresh, Ahmad Rafsanjani

分类: cs.RO, cond-mat.soft

发布日期: 2025-10-08

期刊: Device, Volume 2, Issue 9, 20 September 2024, 100469

DOI: 10.1016/j.device.2024.100469

💡 一句话要点

利用剪纸工艺定制材料，实现多功能轻量化机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 剪纸机器人 软体机器人 可变形结构 机器人设计 轻量化设计

📋 核心要点

  1. 现有机器人设计在多功能性、轻量化和适应性方面存在局限，难以满足复杂环境和任务的需求。
  2. 本文提出利用剪纸工艺定制机器人组件，通过优化切割图案实现特定功能，提升机器人的灵活性和适应性。
  3. 剪纸机器人在抓取、运动和可穿戴设备等领域展现出良好的应用前景，但设计和制造方面仍面临挑战。

📝 摘要（中文）

本文探讨了传统剪纸工艺（Kirigami）在机器人领域的革命性潜力，它能够提供多功能、轻量化和适应性强的解决方案。剪纸结构以弯曲为主导的形变为特征，具有抵抗拉伸力的能力，并能在较小的驱动力下实现形状变形。通过优化切割图案，可以将剪纸组件（如执行器、传感器、电池、控制器和主体结构）定制到特定的机器人应用中。基于剪纸原理的执行器表现出复杂的运动，可以通过各种能源进行编程。剪纸传感器弥合了导电性和柔顺性之间的差距。集成剪纸的电池可以直接在机器人结构中实现能量存储，从而提高灵活性和紧凑性。剪纸控制的机制模仿机械计算，从而实现形状变形和记忆功能等高级功能。剪纸机器人的应用包括抓取、运动和可穿戴设备，展示了它们对不同环境和任务的适应性。尽管存在有希望的机会，但在给定功能的切割图案设计和简化制造技术方面仍然存在挑战。

🔬 方法详解

问题定义：传统机器人设计在材料选择和结构设计上存在局限性，难以同时满足轻量化、多功能性和适应性等需求。尤其是在复杂环境中执行任务时，传统机器人往往难以适应不同的地形和任务要求。现有方法在实现复杂运动和形变方面也存在挑战，需要更灵活和可定制的解决方案。

核心思路：本文的核心思路是借鉴传统剪纸工艺（Kirigami），通过在材料上进行精确的切割和折叠，创造出具有特定力学性能和运动模式的结构。这种方法能够利用材料的弯曲变形来实现复杂的形状变化和功能，同时保持结构的轻量化和柔性。通过优化切割图案，可以定制剪纸结构以满足不同的机器人应用需求。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个阶段：1) 设计阶段：根据机器人应用的需求，设计合适的剪纸切割图案。这需要考虑材料的力学性能、切割图案的几何形状以及所需的运动模式。2) 制造阶段：使用激光切割或其他精密制造技术，在材料上进行切割和折叠，形成剪纸结构。3) 集成阶段：将剪纸结构集成到机器人系统中，包括执行器、传感器、电池和控制器等组件。4) 控制阶段：设计合适的控制算法，控制剪纸结构的运动和形变，实现机器人的功能。

关键创新：本文最重要的技术创新点在于将剪纸工艺与机器人设计相结合，提出了一种全新的机器人设计方法。与传统的刚性机器人相比，剪纸机器人具有更高的灵活性、适应性和可定制性。此外，本文还提出了一种基于剪纸原理的传感器和电池设计，能够进一步提高机器人的性能。

关键设计：关键设计包括：1) 切割图案的设计：需要根据具体的应用需求，优化切割图案的几何形状和参数，以实现所需的力学性能和运动模式。2) 材料的选择：需要选择具有合适的力学性能和可加工性的材料，如柔性聚合物、金属薄膜等。3) 执行器的设计：需要设计合适的执行器，驱动剪纸结构的运动和形变，如气动执行器、压电执行器等。4) 控制算法的设计：需要设计合适的控制算法，控制执行器的运动，实现机器人的功能。

📊 实验亮点

论文展示了剪纸机器人在抓取、运动和可穿戴设备等方面的应用案例，验证了该方法的有效性。例如，通过优化切割图案，可以设计出能够抓取不同形状物体的剪纸夹爪。此外，论文还展示了基于剪纸原理的可穿戴传感器，能够实时监测人体的运动状态。具体性能数据未知，但应用前景广阔。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多个领域，包括：1) 软体机器人：用于制造具有高灵活性和适应性的软体机器人。2) 可穿戴设备：用于设计轻量化、舒适的可穿戴设备，如智能服装、医疗监测设备等。3) 医疗器械：用于制造微型机器人和医疗器械，进行微创手术和药物输送。4) 航空航天：用于设计可变形飞行器和空间结构，提高飞行器的性能和适应性。

📄 摘要（原文）

Kirigami, the traditional paper-cutting craft, holds immense potential for revolutionizing robotics by providing multifunctional, lightweight, and adaptable solutions. Kirigami structures, characterized by their bending-dominated deformation, offer resilience to tensile forces and facilitate shape morphing under small actuation forces. Kirigami components such as actuators, sensors, batteries, controllers, and body structures can be tailored to specific robotic applications by optimizing cut patterns. Actuators based on kirigami principles exhibit complex motions programmable through various energy sources, while kirigami sensors bridge the gap between electrical conductivity and compliance. Kirigami-integrated batteries enable energy storage directly within robot structures, enhancing flexibility and compactness. Kirigami-controlled mechanisms mimic mechanical computations, enabling advanced functionalities such as shape morphing and memory functions. Applications of kirigami-enabled robots include grasping, locomotion, and wearables, showcasing their adaptability to diverse environments and tasks. Despite promising opportunities, challenges remain in the design of cut patterns for a given function and streamlining fabrication techniques.