南丹麦大学软体机器人实验室的研究人员近日带来了一项将传统剪纸艺术融入现代机器人设计的创新成果，这一结合不仅令人眼前一亮，更为软体机器人的发展开辟了新的路径。
这项研究的核心在于利用剪纸（Kirigami）原理设计了一种充气式软体爬行机器人，相关研究已在《Advanced Robotics Research》期刊上发表。这种机器人完全由柔性纺织材料打造，通过巧妙的剪纸图案设计和气动控制，实现了类似蛇类的多种运动模式。
不同于传统的刚性机器人，这种新型软体机器人凭借独特的剪纸结构，能够在沥青路面、金属格栅、混凝土斜坡等多种复杂地形上自如爬行。研究团队在热封纺织材料上设计了精细的交错线性切割图案，当向机器人内部充气时，这些切口会产生协调的局部变形，使得整个结构能够均匀收缩。
在实验中，研究人员发现，当执行器充气到100 kPa压力时，切口的边缘会相互重叠，导致整个结构产生高达32%的均匀收缩，这一收缩率远高于没有切口的普通气囊。更重要的是，这种收缩是均匀且可控的，有效避免了传统充气结构常见的局部屈曲问题。
这种剪纸结构还赋予了机器人表面类似鳞片的特征，产生了方向性各向异性摩擦特性。具体来说，向前的摩擦系数明显小于向后的摩擦系数，这一特性正是蛇类爬行的关键所在。为了实现更复杂的运动控制，研究团队进一步开发了双通道剪纸执行器，每个模块包含两个独立的平行气道，可以分别控制充气，从而实现轴向收缩和转向功能。
通过将多个双通道模块串联，研究团队创造出了具有六个独立控制通道的三模块爬行机器人。通过精心设计的充气序列，这个系统能够实现直线爬行、蛇形运动和转向控制等多种运动模式。实验表明，不同的致动周期和相位差对运动速度有显著影响，研究团队通过参数优化找到了最佳的控制策略。
在实地测试中，这种剪纸爬行机器人展现了惊人的适应能力。无论是在不同粗糙度的表面上测量摩擦系数，还是在各种复杂地形上进行运动速度测试，机器人都表现出了出色的性能。特别是在综合测试中，三模块机器人成功通过手动控制完成了一个S形路径，绕过刚性障碍物，全程用时19分钟。
这一创新不仅验证了设计的可行性，更展示了剪纸爬行机器人在非结构化环境中的巨大应用潜力。无论是搜救任务、管道检查还是环境监测，这种轻量、柔性、适应性强的机器人都可能发挥重要作用。研究团队表示，尽管目前的设计仍需要外部气源和控制系统的支持，但他们使用的微型气泵和低功耗电磁阀都很紧凑轻便，为未来实现完全自主的无系留设计奠定了基础。
这项研究的意义不仅在于创造了一个新型机器人，更在于展示了如何将古老的艺术形式与现代工程相结合，通过简单的几何设计实现复杂的功能。剪纸原理不仅为软体机器人提供了新的设计范式，也为其他领域如可展开结构、智能材料和仿生系统提供了灵感。这一创新成果再次证明，最先进的技术创新往往就隐藏在最古老的艺术形式之中。
