折纸技术进入四轴飞行器

在过去的十年中，世界各地的研究人员一直在寻找令人兴奋的无人机 (UAV) 新用例。 无人机通常被称为“无人机”，它已经在许多领域证明了它们的价值，包括摄影、农业、土地测量、灾害管理，甚至货物运输。

毫不奇怪，研究人员现在正试图通过在设计中引入新部件来扩展无人机的功能，抓取小物体的能力就是一个典型的例子。

然而，在四轴飞行器中引入抓取机制，尤其是低成本的四轴飞行器，是一个相当大的挑战。 一般来说，四轴飞行器增加的任何额外重量都会损害其起飞和稳定飞行的能力。 这促使科学家寻找能够规避这些问题的非正统材料和设计。

在最近的一项研究中，日本芝浦工业大学 (SIT) 的一个研究小组利用纸张开发了一种创新的四轴飞行器抓取机制。 他们的工作， 发表 在 IEEE 机器人与自动化快报，由工程学院 Hiroki Shigemune 副教授领导，成员包括硕士生 Shuta Okamoto 和 Chinthaka Premachandra 教授。

所提出的抓取机制巧妙地利用了折纸（一种古老的日本折纸艺术）来产生三维形状。 当纸张被适当地折叠和堆叠时，所得的结构可以具有惊人的弹性和强度，并且基于折纸的技术已成功地应用于各种应用。

然而，在大多数报道的情况下，折纸夹具仍然需要额外的控制机制才能从静止状态转变为抓取配置。 此外，它们的制造可能非常复杂，有时需要除纸张之外的其他材料，例如塑料和树脂，以使设备更加灵活。

为了解决这些问题，SIT 的研究人员设计了一种自折叠折纸夹具 (SOG)，它可以将自身折叠成最终所需的结构。 他们的设计成本低廉，并依赖于重宗博士及其同事大约十年来开发的制造技术。

使用切割机和普通喷墨打印机，只需预先切割并将湿墨水以预定图案涂在纸张上即可。 精心放置的墨水和纸张之间的物理化学反应足以获得自动折叠的折纸作品。

利用这种方法，研究人员将 SOG 设计为双稳态结构。 简而言之，折纸片具有两种稳定的构象，并且它会保留给定的构象，直到施加足够的力以使折纸片切换，就像按扣手镯一样。

该团队采用了“水弹”结构，当力直接施加到其中心时，它会“从山变成山谷”。 这个想法是接近物体从下面抓住并用山尖“戳”它，山尖会突然穿过并变成山谷。 通过在水弹边缘引入圆柱形“手指”，这种构象变化使得 SOG 在“闭合”时抓住并保持目标物体。

尽管纯粹是用纸制成的，但这种设计的力量不容低估。 “SOG 本身仅重 5 克，但在我们的抓取实验中，它表现出了相当于握住 130 克物体的抓取力，”冈本先生说道。

这一令人印象深刻的结果源于对 SOG 结构的仔细理论分析以及广泛的实验。 最后，研究人员成功地在实际四轴飞行器上测试了所提出的 SOG，其任务是从木树枝上抓取球形物体，获得了良好的结果。

Premachandra教授强调了他们的创造的另一个新颖之处，“开发的SOG完全由纸制成，这是一种可生物降解的材料。当它因事故或恶化而掉落到地面时，它会简单地返回土壤，不会伤害包括生命在内的生命人类和环境以任何方式。”

鉴于具有抓取能力的四轴飞行器可能用于农业，例如在收割作业期间以及在土地调查期间采样，这一细节尤为重要。

总体而言，所提出的抓取机制可以应用于涉及无人机的许多现代技术应用中。 “我们希望我们论文中提出的 SOG 将成为未来智能折纸设备的基础，使四轴飞行器具有多功能性，”Shigemune 博士总结道。