编辑推荐：
为解决传统软机器在单一设备中管理多种操作模式的复杂性问题，研究人员开展了关于可适应的多模式变形机器（SIMM）的研究。通过将模块化折纸和剪纸设计与双稳态壳的气动 snap - through 和 snap - back 相结合，开发出能执行复杂任务的软体机器人，为软机器人应用开辟新可能。
在科技飞速发展的当下，机器人领域也在不断寻求突破，其中软体机器人以其独特的柔性和适应性备受关注。它能够与复杂环境灵活互动，完成传统刚性机器人难以实现的任务，比如在不规则物体抓取、复杂地形移动等场景中展现出巨大潜力。然而，目前软体机器人的发展遇到了瓶颈。一方面，增加功能往往需要复杂的机械和驱动组合，这不仅提升了设计难度，还依赖额外的刚性部件，限制了系统的柔性和适应性；另一方面，现有的气动执行器在实现多路径驱动和控制方面存在局限，难以充分发挥软体机器人的优势。在这样的背景下，为了让软体机器人能够更好地发挥作用，来自首尔国立大学（Seoul National University）和浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology）的研究人员开展了一项重要研究。
他们将模块化折纸和剪纸（origami 和 kirigami）设计理念与双稳态壳的气动 snap - through 和 snap - back 特性相结合，提出了一种新型的 snap inflatable modular metastructure（SIMM，可 snap 充气模块化亚结构）机制。这一研究成果意义重大，它为软体机器人实现多功能化提供了新途径，相关研究发表在《Cell Reports Physical Science》上。
研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先是结构设计与制造技术，通过 3D 打印模具制作硅胶基弹性体的 snap 单元、柔性铰链和肌腱等组件，并进行组装。其次是实验测量技术，利用数字压力计测量 snap - through 和 snap - back 压力，通过特定装置测量 snap - folding 角度 。此外，还运用了有限元方法（FEM）进行计算分析，模拟结构的变形行为，验证理论模型。
下面来看具体的研究结果：
- 可逆多模式变形的 SIMM：单个 snap 单元由长方体气动单元和球形帽状双稳态弹性体壳组成。通过压力控制，双稳态壳可在两种状态间切换，多个 snap 单元相互连接构成 SIMM。SIMM 的变形循环包括 snap - through 和 snap - back 过程，这种滞后行为形成了独特的变形循环。同时，SIMM 的非线性、阶跃响应可与其他连续气动执行器集成，实现单一压力输入下的多种功能。研究人员通过构建由不同几何形状的壳组成的 SIMM，验证了其在不同状态间转换的可控性。
- SIMM 形状变换特性分析：为了充分发挥折纸和剪纸图案的形状变形潜力，研究人员分析了壳的几何参数对 snap - folding 角度和 snap 压力的影响。通过理论模型得出 snap - folding 角度的计算公式，并通过实验和计算验证了该模型。同时，对壳的能量进行分析，建立压力与曲率的类比关系，预测了 snap - through 压力和 snap - back 压力 ，且实验和计算结果与理论模型相符。这表明通过调整壳的几何参数，可以精确控制 SIMM 的变形行为。
- 路径依赖变形转变的原理：研究人员构建了由多个 snap 单元组成的多模式变形结构，通过控制压力输入顺序，可实现不同的变形状态。每个状态由不同壳的双稳态组合表示，通过确定目标状态中最后 snap 的壳的压力和需要 snap - back 的壳的压力，按顺序调整压力，可达到任意期望状态。这种方法结合 snap - folding 角度的设计原则，能够实现多种模块化折纸和剪纸形状，拓展了 SIMM 的应用范围。
- 多地形移动的软体机器人：基于 SIMM 设计了一种可在多种地形移动的软体机器人，灵感来源于旋转球折纸（Twirligig）。该机器人由单个延伸 snap 模块组成，通过连接多个模块并安装棘轮腿，可实现平面爬行和电缆攀爬。在不同压力控制下，机器人能在平面和圆柱模式间快速转换，且其柔性结构使其能适应狭窄弯曲隧道和电缆等不同地形。这展示了 SIMM 在实际应用中的适应性和多功能性。
- 双向移动和可展开的软体机器人：研究人员还设计了一种可逆可展开的软体机器人，采用平面剪纸镶嵌（quad - tessellation，QT）与模块化折纸相结合的方式。通过控制两种不同 snap 压力的壳，机器人可在不同形状间转换，实现爬行、货物运输和转向等功能。例如，通过周期性振荡压力，机器人可像尺蠖一样移动；增加压力可展开货物网，运输货物，然后改变形状继续移动。这进一步证明了 SIMM 在实现复杂功能方面的潜力。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，他们的研究展示了具有 snap 内部连接的柔软可折叠结构在气动执行器中实现多功能性的潜力。基于几何关系和能量最小化的壳 snap 机械模型，可预测壳 snap 压力和 snap - folding 角度。SIMM 系统通过组合不同临界转变刺激的壳，最多可实现 2n种不同配置，具有高度可编程性。研究还介绍了两种基于 SIMM 的软体机器人设计，展示了其在多地形移动和多功能操作方面的优势。然而，该研究也存在一些挑战，如在缩放应用中，需要考虑材料强度、气动控制机制优化等问题；在复杂机器扩展方面，需要解决空间占用、连接兼容性等问题。未来的研究可以探索替代结构、集成控制策略等方向，以进一步提升 SIMM 系统的性能和应用范围。总体而言，这项研究为软体机器人的多功能化发展提供了创新思路和技术支持，有望推动软机器人在医疗、救援等领域的实际应用。
