折紙變形金剛來了

“變形金剛”作為一種形狀變換結構，不僅在娛樂和玩具領域具有廣泛影響力，其技術理念也在機器人、醫療器械、建筑與結構工程等領域有著廣泛應用前景。目前，大多數變形結構只能實現有限的構型變換，并且需要依賴復雜的驅動系統。如何設計一種變形結構，使其能夠從單一構型簡單且高效地變化出大量多樣的幾何構型，是一個亟待解決的難題。

近日，北卡羅來納州立大學科研團隊，通過結合多級機構概念和厚板折紙技術，提出了一種類似變形金剛的變體折紙超結構。該結構通過較低自由度（不超過3個驅動器），即可變化出超過一千種形態各異的構型，且具有可重構、可重組、可再編程和可逆設計等優點。相關論文發表在《自然—通訊》（Nature Communications）雜志上。

研究團隊通過在特定旋轉軸上安裝遠程操控的控制系統，可以實現類似變形金剛自主變換的結構。在無線編碼指令下，這種變體折紙超結構短時間內可連續變換成各種所需形狀和功能，例如多層建筑、橋梁、隧道，以及多模態移動變體機器人。這些機器人既可以通過身體的形狀變換實現前進后退、左右橫行，也可以迅速切換成傳統爬行機器人模式負重前行。

考慮到剛性轉動折紙結構可以簡化為機械運動機構，該工作選擇了幾種代表性的空間運動閉環機構作為基本結構和各階機構圖案。其中，多級折紙超結構通過將高階機構的連桿由低階結構替代設計而成。在實際設計中，多級機構的旋轉軸和連桿分別對應于折紙結構的線型折痕和由多面體組成的結構單元。該工作從正方體結構單元出發，從設計、理論、數值模擬及潛在應用方面系統研究了該多級折紙變體超結構。

多級折紙超結構設計思路

米級大尺度多級折紙可重構建筑結構以及太空機器人以及基地應用

這種奇妙的設計不受尺度限制，團隊展示了其在米級、可展、可重構建筑結構中的應用，并展望了其在可重構太空機器人和太空基地中的潛在應用前景。該工作有望應用于變體機器人、快速可展可重構建筑、太空機器人及醫療設備等領域。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50497-5  

（以上圖片皆為課題組提供）