Active 3D weaves for load-bearing and damage-resilient locomotion
本文提出了一种用于构建主动式三维编织机器人结构的通用框架，该框架独特地结合了用于承载负载的高轴向刚度、用于高效驱动的低弯曲刚度以及系统级韧性，使其能够在携带高达自身重量70倍负载的同时进行运动，并承受极端的压缩。
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软体机器人是由能够弯曲、拉伸和挤压的材料而非刚性金属和齿轮构建的机器。这种灵活性使它们触碰起来很安全，非常适合穿戴在人体上，例如智能衬衫或医疗支具。然而，这种柔软性也是它们最大的弱点。由于它们非常易于变形，难以搬运重物或承受强大的外力而不会坍塌。几十年来，工程师们一直面临着一个艰难的选择：是制造一个既柔软又安全的机器人，还是制造一个足够强壮能进行重型搬运的机器人，但很难两者兼得。
一组研究人员通过借鉴人类最古老的工艺之一——编织，找到了弥合这一差距的方法。正如篮筐制作者将柔韧的芦苇交织在一起以创建一个既轻便又坚固的容器一样，这些科学家将薄条材料编织成三维形状，使其能够运动、承重并抵御挤压压力。通过在这些编织结构中嵌入特殊的、在受热时会收缩的导线，他们创造了一种新型机器人，这种机器人既足够柔软可以行走和转向，又足够坚硬可以承载远重于自身的负载。
研究人员首先创建了一个被称为“编织角”的基础构建单元。想象一下，将三组薄薄的扁平丝带在直角方向上相互交织，形成一个类似编织篮子转角处的形状。为了让这个角产生运动，他们在结构中穿过了两根由特殊金属合金制成的螺旋形导线。这些导线的设计原理是在通电加热时发生收缩或缩短。当研究人员施加微小的电流时，导线受热收缩，将编织角拉成新的形状。当电流停止且导线冷却时，角会恢复到原始形状。
通过仔细布置导线的位置，团队发现他们可以让这个角“行走”。当一侧的导线受热时，角会发生折叠，使得后腿向前滑动，而前腿保持不动。当导线冷却时，前腿向前滑动，而后腿则固定原地。通过重复这种加热和冷却的循环，该角通过一系列步伐向前移动。研究人员还展示了通过仅加热一根导线来实现转向，从而使结构在移动时发生转向。这个简单的单元证明了编织结构既可以足够灵活以实现运动，也可以足够坚固以支撑重量。
为了证明这一概念可以规模化应用，团队将这些编织角组装成了更大、更复杂的机器人。他们制造了一个通过整体收缩和扩张来移动的立方体，以及通过弯曲肢体来行走的二足、三足和四足生物。这些机器人的构造都采用了相同的编织材料和相同的热收缩导线。结果令人瞩目。虽然10克的编织角可以承载其自身重量25倍的负载，但更广泛的编织机器人家族展示了在移动的同时承载高达自身重量70倍负载的能力。例如，一个仅重10克的机器人可以搬运250克的负载（大约是一个小苹果的重量），而不会失去行走能力。
或许最令人惊讶的发现是这些机器人应对极端虐待的表现。研究人员使编织角承受了高达自身重量1300倍的挤压力量，使其完全扁平化。然而，这些机器人并没有损坏或保持被压扁的状态，而是弹回了原状。编织丝带以一种吸收冲击而不发生永久变形的方式进行弯曲和屈曲，而那些被拉伸和扭曲的金属导线在压力释放后也恢复了原始形状。在经过多次被挤压和压扁后，机器人依然能沿着完全相同的路径行走，表现没有下降。
这种韧性的秘密在于编织本身的设计。与在压力下可能会开裂的固体材料不同，编织结构允许其单个线条进行局部弯曲和屈曲，从而将力量分布到整个形状中。这类似于编织篮子可以被挤扁然后恢复形状，而实心塑料杯则会开裂或保持凹陷。研究人员利用计算机模型来理解结构的运动方式，发现这种编织结构在被拉直时具有天然的刚性，而在侧向弯曲时则具有柔韧性。这种独特的特性使他们能够将运动导线放置在发生弯曲的地方以实现高效运动，同时保持结构足够坚硬以承载重物。
这项工作表明，编织不仅仅是一种制造织物的方法，更是一种构建机器的强大工程策略。通过将古老的编织艺术与现代活性材料相结合，研究人员创造了一类全新的机器人，它们既柔软、强壮又极其坚韧。这些机器有一天可以作为穿戴式外骨骼，帮助人们搬运重物，或者作为救援机器人，在废墟中爬行并携带物资而不会损坏。这项研究表明，通过进行三维思考并利用编织结构的自然特性，工程师可以解决让软体机器人同时也具备足够强度来从事实际工作的长期难题。
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