Adaptive Hierarchical Origami Metastructures
作者: Yanbin Li, Antonio Di Lallo, Junxi Zhu, Yinding Chi, Hao Su, Jie Yin
分类: cs.RO, math.GT, physics.app-ph
发布日期: 2023-11-29
💡 一句话要点
提出自适应层次折纸超构结构以解决形状变换的多功能性问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 形状变换 折纸结构 超构材料 机器人技术 自适应设计 多功能性 层次结构 自主系统
📋 核心要点
- 现有形状变换方法在后期制造后难以实现多种体积形状的无缝转换，限制了其应用。
- 本文提出了一种基于多面体的层次折纸结构构建方法，能够实现丰富的形状变换，且驱动机制简单。
- 实验表明，单一层次折纸结构可自主适应超过103种配置，且在米级规模上展现出良好的可扩展性。
📝 摘要（中文）
形状变换能力对于生物和人工系统的多功能性至关重要。尽管已有多种形状变换策略被提出用于超材料和机器人，但很少有方法能够在后期制造后无缝地转变为多种体积形状。本文提出了一种基于多面体的新型层次构建方法，创建了丰富的紧凑型折纸超构结构库。我们展示了单一层次折纸结构能够自主适应超过103种多样的建筑配置，且只需少于3个驱动自由度和简单的过渡运动学。通过理论模型，我们揭示了这些形状变换的基本原理，并展示了这些可变形层次结构的广泛潜在应用，包括作为无缆和自主的机器人变形器，能够实现多种步态转换和多方向运动，以及快速自部署和自重构的建筑，展现出其在米级规模上的可扩展性。
🔬 方法详解
问题定义：现有的形状变换方法在后期制造后无法实现多种体积形状的无缝转换，且通常需要复杂的驱动和控制机制，这限制了其在实际应用中的多功能性。
核心思路：本文提出了一种基于多面体的层次折纸结构构建方法，灵感来源于自然界的层次结构和厚折纸，通过简单的过渡运动学和少量驱动自由度，实现丰富的形状变换。
技术框架：整体架构包括层次折纸结构的设计、驱动机制的实现和形状变换的控制。主要模块包括多面体的构建、驱动系统的设计以及形状适应算法。
关键创新：最重要的技术创新在于提出了一种能够自主适应超过103种建筑配置的单一层次折纸结构，且仅需少于3个驱动自由度，显著简化了形状变换的复杂性。
关键设计：在设计中，采用了简单的过渡运动学，确保了结构的灵活性和适应性，同时通过理论模型揭示了形状变换的基本原理，优化了驱动参数和运动路径。
📊 实验亮点
实验结果表明，单一层次折纸结构能够自主适应超过103种建筑配置，且在驱动自由度少于3的情况下实现了高效的形状变换。这一成果相较于现有方法在形状变换的灵活性和适应性上有显著提升，展示了其在实际应用中的广泛潜力。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括无缆自主机器人、快速自部署建筑以及多任务可重构的空间机器人和栖息地。这些可变形的层次结构展现出良好的适应性和多功能性，能够在多种环境中实现高效的任务执行，具有重要的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Shape-morphing capabilities are crucial for enabling multifunctionality in both biological and artificial systems. Various strategies for shape morphing have been proposed for applications in metamaterials and robotics. However, few of these approaches have achieved the ability to seamlessly transform into a multitude of volumetric shapes post-fabrication using a relatively simple actuation and control mechanism. Taking inspiration from thick origami and hierarchies in nature, we present a new hierarchical construction method based on polyhedrons to create an extensive library of compact origami metastructures. We show that a single hierarchical origami structure can autonomously adapt to over 103 versatile architectural configurations, achieved with the utilization of fewer than 3 actuation degrees of freedom and employing simple transition kinematics. We uncover the fundamental principles governing theses shape transformation through theoretical models. Furthermore, we also demonstrate the wide-ranging potential applications of these transformable hierarchical structures. These include their uses as untethered and autonomous robotic transformers capable of various gait-shifting and multidirectional locomotion, as well as rapidly self-deployable and self-reconfigurable architecture, exemplifying its scalability up to the meter scale. Lastly, we introduce the concept of multitask reconfigurable and deployable space robots and habitats, showcasing the adaptability and versatility of these metastructures.