无需电池！新型折纸机械人可经由进程磁场无线控制

最近，来自美国哈佛大学维斯生物启示工程研究所和约翰保尔森工程和运用科学学院的科研职员团队创造出一种无需电池的折纸机器人，它能够通过磁场无线地供应能量和进行掌握，开展可重复的繁芜运动。

关键字

机器人、折纸、供电、医疗

背景

艺术和技能每每会相互影响。
例如，人工智能、多媒体、全息等创新技能都深深影响了艺术创作，同时技能的发展也时常受到传统艺术的启示。
本日，我们从日本传统折纸艺术提及，折纸艺术是通过分外的折叠办法，在一张普通纸张的根本上进行手工创作，塑造出各式各样的繁芜三维形状。
下面通过几张图片向大家展示一下折纸艺术的美妙：

（图片来源于：维基百科）

（图片来源于：维基百科）

（图片来源于：维基百科）

（图片来源于：维基百科）

近些年来，折纸机器人成为了机器人设计的又一新前沿。
例如，笔者曾在《微型折纸机器人：可以被人体消化》一文中先容过一种可以被人体消化的微型折纸机器人。

（图片来源于：Melanie Gonick/MIT）

其余，在《Kamigami - 你自己的手工折纸蟑螂机器人》一文中，笔者也先容过一款类似昆虫的折纸机器人玩具。

（图片来源于： Dash机器人）

然而为了获取能量，这些折纸机器人普遍须要携带电池，或者通过电线连接至电源。
有鉴于此，比较于它们的灵感来源：纸张，这些机器人就会显得笨重，且功能也受到了限定。

创新

最近，来自美国哈佛大学维斯生物启示工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和约翰保尔森工程和运用科学学院（SEAS）的科研职员团队创造出一种无需电池的折纸机器人，它能够通过磁场无线地供应能量和进行掌握，开展可重复的繁芜运动。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

文章的合著者、维斯研究所和SEAS的博士后研究员、韩国亚洲大学的助理教授 Mustafa Boyvat 称：

“与折纸类似，我们设计重点之一便是大略性。
该系统仅须要机器人上的基本的、无源电子元件来供应电流。
机器人本身的构造卖力其他功能。
”

技能

研究团队设计的机器人是又平又薄（像一张纸）的塑料四面体，外部有的三个三角形通过铰链连接到中间的三角形，中间的三角形上有一个小型电路。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

附着在铰链上的是由一种称为“形状影象合金”（SMA）的金属组成的线圈。
这种金属在加热到一定温度，能够在形变后恢复原状。
当机器人的铰链平放时，SMA线圈在“变形”状态下伸展开来；当电流利过电路时，线圈被加热，它们回到原始的松弛状态，像眇小的肌肉一样紧缩，将机器人外部的三角形向中间折叠起来。
当电流消逝后，由于波折的铰链具有刚度，SMA线圈又重新伸展开来，这样机器人外部的三角形向中间折叠程度会降落。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

机器人运动所须要的电能，通过无线的电磁电力传输无线供应。
这项技能与手机和其他小型电子设备电池充电所用的无线充电座内部的技能相同。
自己具有电源的外部线圈产生一个磁场，从而在机器人的电路内产生一个感应电流，加热SMA线圈并且产生折叠。
为了掌握详细哪个线圈紧缩，团队在每个线圈单元内放置了一个谐振器，并且经由调谐后，让它只对特定的电磁频率作出反应。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

论文的首作者、维斯研究所和SEAS的博士后研究员 Mustafa Boyvat 博士阐明道：

“我们的机器人不仅可以重复地实行折叠动作，而且我们还可以掌握这些动作何时何地发生，从而使得更加繁芜的运动变得可能。
”

和人体的肌肉一样，SMA线圈只能紧缩和舒张。
而机器人身体的构造（折纸一样的“枢纽关头”），将这些紧缩转化为特定的运动。
为了展示这项功能，团队设计了一个小型机器臂，能够向左或者向右波折，也可以在物体附近打开和闭合一个夹子。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

这种机器臂通过分外的、折纸一样平常的形状布局，当有外力施加的时候，它能够波折。
其余，两个SMA线圈在激活时，会开释力量，而第三个线圈将夹子打开。
通过改变外部线圈产生的磁场频率，团队能够独立地掌握机器人的波折和抓握动作。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

代价

这种极简主义的机器人技能会有很多运用。
例如，年夜夫进行手术时，无需在患者喉咙下放置一个让人感到不适的内窥镜。
患者可以吞下一个微型机器人，它可以四处运动且实行大略任务，例如检讨人体组织或者拍照，且这个机器人可以通过人体外部的线圈供电。
利用更大一点的源线圈（直径大约为几码），就能够实现全体家居中多个“智能”物体的无线、无需电池的通信。

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

（图片来源：哈佛大学维斯研究所）

团队采取折纸设计了各种各样的机器人，从一个硬币大小的变平四面体机器人到一个手掌大小的船型机器人，以展示他们的技能能够适应各种电路设计，适用于各种大大小小的设备。
Boyvat 说：

“对付微型化来说，目前仍有空间。
我们不认为我们已经达到了最小的极限，并且我们感到很愉快，将在生物医学运用方面，进一步开拓我们的设计。
”

论文的作者之一、维斯研究所的核心教员、生物启示的机器人平台的互助领头人、SEAS工程和运用科学系的教授 Rob Wood 称：

“当人们制造微型机器人时，有一个问题常常被问，‘你若何可以将电池放到如此小的机器人中？’这项技能对付这个问题，给出了一个很好的答案。
它完备改变了思路：你无需在上面放电池，你可以通过其他的办法供电。
”

维斯的创始董事、哈佛医学院血管生物学和波士顿儿童医院血管生物学项目的教授、哈佛工程和运用科学学院的教授 Donald Ingber 说：

“如今的医疗设备普通受到供电的电池尺寸的限定，然而这些远程供电的折纸机器人能够打破尺寸的限定，未来有望供应全新的、微创的医疗和手术方案。
”

参考资料

【1】https://wyss.harvard.edu/no-battery-no-wire-no-problem/

【2】http://robotics.sciencemag.org/content/2/8/eaan1544

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