大自然在数百万年的演化中发展出了诸多高效且适应能力强的解决方案，为设计各种机器人提供了丰富的灵感源泉。蛇类是高效的运动者，即使缺乏刚性、受限的骨架，并且其质心的抬升程度不及有腿的动物，它们仍能实现高自由度的运动。蛇类通过四种主要的陆地运动模式，使它们具备适应几乎任何地形的广泛动作库。现有研究发现，当蛇在跑步机上爬行时，其运动所需能量仅为相似大小的有腿爬行动物的一半左右。，而有腿动物则必须不停将肢体返回到推进位置以进行持续运动。凭借其低运动能耗、软体变形的能力及根据所穿越表面调整皮肤摩擦的能力，蛇类为仿生机器人领域提供了一个独特的研究方向。

  早期的蛇类启发机器人并非软体机器人。相与柔性机器人相比，这些机器人通常存在重量大、生产所带来的成本高以及难以量产的缺点，不便于现场部署。通常，这些蛇形机器人大多采用蛇形运动，模仿蛇类最常见的运动形式。

  蛇类在直线运动中通过将每个皮肤段相对于底层骨架顺序移动来进行运动。蛇的腹部皮肤与中背部区域的皮肤相比，具有较低的刚度和更大的柔韧性。在直线运动中，运动的开始来自于相应肌肉群的收缩和放松序列。这种直线运动不发生轴向弯曲，在通过狭窄空间、搜救任务和杂乱环境方面具有高效、灵活、稳定等优势。例如，在灾难现场由于身体的弯曲受限，沿直线移动更为可取。在通过废墟、瓦砾或障碍物的特定情况下，直线移动有助于最小化对复杂转弯动作的需求。尽管直线运动存在这些独特的优势，但是直线运动的机器人设计尚未被充分探索。

  在此背景下，南丹麦大学Burcu Seyidoglu和Ahmad Rafsanjani开发了一款可以有效的进行类似蛇类直线运动的模块化织物折纸机器人。机器人中的仿生折纸模块通过折纸结构设计的织物形成层压致动器，具有气动驱动和摩擦调节的能力。纺织材料和折纸的结合起到了作为机器人皮肤和肌肉的双重作用。作者对机器人进行了设计、制造、表征和分析，着重关注其在搜救和现场检查等领域的潜在未来应用。该工作以题为“A textile origami snake robot for rectilinear locomotion”的论文发表在最新一期《 Device》上，并被《 Nature》作为亮点报道。

  如图1A所示，在蛇类的直线运动中，与中背区的皮肤相比，蛇的腹部皮肤硬度较低，灵活性较高。从头部到尾部的肌肉顺序激活会拉伸蛇的腹部肌肤，导致腹部鳞片倾斜。这一过程增强了地面摩擦，类似于轮胎胎面的功能，有助于平稳流畅的运动。

  作者模仿蛇身横截面的重复多边形结构将机器人身体设计成折纸波纹管，可以稳定机器人避免横向滚动。作者根据数学模型设计了折痕图案的几何结构（图1B），形成具有一系列角度对称折痕的折纸结构（图1C）。该模型确保了折纸结构在其完全折叠状态下不会弯曲或褶皱（图1D），从而允许在膨胀时进行更大的延伸。

  为了打破摩擦对称性，作者在中间多边形中引入了一系列偏心折线，这些折线在腹侧留下了鳞片状特征。为增强腹侧折纸皮肤的灵活性，作者移除了与中间多边形相邻的多边形（图1E）。机器人的背侧连接折纸的两端，使其具有重叠的表面，并使其比腹侧更硬，类似于蛇的解剖结构。作者通过层压一层额外的涂层织物逐渐增强和提高了腹侧鳞片的寿命（图1F）。为了驱动机器人，在预折叠机器人结构后，作者将一系列气囊结合到皮肤的内侧。接着将穿孔弹性织物连接到气囊上（图1G），以促进气囊在每次充气循环后的恢复。每个模块通过硅胶管连接到加压空气和线H）。机器人蛇由四个模块组成，这些模块用钩环紧固件组装（图1J）。

  作者经过测量在泡沫表面上向前（头部）和向后（尾部）拉动机器人时的阻力来表征机器人腹部皮肤的摩擦各向异性（图2A）。不对称锯齿状折纸图案本质上是定向各向异性的，这在某种程度上预示着，当在基底上滑动时，所产生的摩擦系数不仅随运动方向而变化，而且随移动方向（向前或向后）而变化。这一特性使机器人具有优先的后向阻力。作者分析了摩擦各向异性是否在单个模块的驱动下得以保持，并测量了所有模块静止时的向前和向后摩擦力（图2B）。

  保持气动柔性致动器的气密性是一个挑战。纺织品本质上是多孔的，要想不透气，就必须涂上涂层。当层压时，它们在加压时容易分层。未解决这个问题，作者利用纺织品固有的透气性，在高压下控制空气的释放，同时保持充足低的透气性以实现气动驱动。为了证明这种方法的有效性，作者跟踪了作为模块#2的气泵输入电压函数的气囊内部压力。在极高的输入电压下（导致压力增加），由于充气模块的弯曲，机器人升高，导致其失去与地面的接触（图2D）。图2E显示了袋内内部压力的演变，证实了袋内压力自然稳定在恒定的电压水平。如图2F所示，随着压力的增加，由于较高的排气率，压力增加的速率减慢。这一结果突出了透气气囊的可靠性和一致性。

  作者描述了机器人在三种类型的表面上的直线运动，并使用图像处理分析了爬行的动力学。所考虑的表面是用于选择驱动频率的表面，即硬塑料、泡沫和压实土壤（图3A）。图3B展示了爬行距离作为时间的函数。1分钟内爬行的距离分别为塑料上183毫米，在泡沫上155毫米，在土壤表面140毫米。

  当机器人在不同的表面上爬行时，作者仔细检查了其运动轮廓。作者放大一个10秒的窗口，跟踪每个模块的中背点（用彩色点表示）。图3C、3D和3E的顶部面板显示了机器人在塑料、泡沫和土壤基底上的爬行轮廓，轨迹清楚地指示了在每个完整的致动循环期间变形沿着模块的前后传播。不同模块的行进距离之间惊人的相似性（仅随时间变化）表明，每个单独模块的性能在很大程度上不受制作的完整过程的影响，强调了设计的稳定性。当比较不同表面上的近距离轨迹时，很明显，增加基底的粗糙度，会干扰运动，使其更加不可预测。

  作者检验了机器人在五种不一样表面上的性能：混凝土、沥青、卵石土、合成轨道和轻微倾斜的合成轨道，观察其各种定性行为和爬行距离。

  在光滑的混凝土上，机器人偶尔会表现出预料之外的转向行为（图4A），与在光滑的实验室表面（如塑料）上有导向壁的情况相比，这减少了机器人的爬行距离。在沥青上，机器人在5分钟内完成了相当于其身体长度的距离。在沥青上的转向行为明显不如在光滑的混凝土上明显，这表明表面特征的存在能改善直线B）。机器人在含有粗糙鹅卵石的土壤上的性能明显不如实验室测试中使用的细土壤表面，因为这些鹅卵石是机器人无法克服的障碍（图4C）。机器人在合成轨道上展示了其最佳性能（图4D）。事实上，这种表面比沥青更光滑，但更柔顺，比混凝土提供更好的牵引力，类似于实验室测试中在泡沫表面上观察到的行为。虽然一些轻微的转向仍然很明显，但它并没有像在其他表面上那样阻碍机器人的运动。此外，该机器人成功地以4°倾角爬上了一条类似的合成轨道，尽管速度较慢，大约是平坦轨道的一半（图4E）。

  蛇类一直以来都是机器人领域学者想要模仿的对象，因其具有高效的运动方式、灵活的身体结构和能够调整皮肤摩擦适应不一样地形的能力。该工作利用直线运动的基础原理，并基于该原理设计了一款软体爬行机器人，该机器人由层压织物构建的折纸模块构成。这些模块融合了气动驱动和各向异性摩擦调节，灵感来源于折纸原理和蛇类的运动规律。该工作对机器人的设计、制造、表征和分析进行了系统研究，并在各种地形上测试了其性能，着重关注其在搜救和现场检查等领域的潜在应用。

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