基于可折叠剪纸皮肤的多模态无肢软体机器人设计与运动控制研究

为解决传统无肢软体机器人运动模式单一、转向能力不足的问题，研究人员通过仿生蚯蚓蠕动机制，设计了一种搭载不对称摩擦剪纸皮肤（kirigami skin）的软体机器人。该机器人采用拮抗式纤维增强气动执行器（fiber-reinforced inflatable actuators）和中央模式发生器（CPG）控制，实现了直线运动（rectilinear locomotion）、原地旋转（in-place rotation）和宽幅转向（wide turns）等多模态运动，并在粗糙障碍环境中验证了其适应性。研究为复杂环境下的搜索救援（search-and-rescue）和工业检测提供了新思路，发表于《Cyborg and Bionic Systems》。

　　

自然界中蚯蚓等无肢生物通过体节变形与地面粗糙颗粒的相互作用实现高效运动，这为软体机器人设计提供了灵感。然而，现有仿蚯蚓机器人多局限于直线运动，缺乏转向能力，且传统剪纸皮肤在弯曲时易发生不可预测的褶皱，限制了其在复杂地形中的应用。针对这些问题，研究人员开发了一种结合可折叠剪纸皮肤和拮抗式气动执行器的多模态无肢软体机器人。

研究团队采用模块化设计方法，核心包括：（1）纤维增强气动执行器，通过Kevlar纤维双螺旋缠绕实现轴向伸长；（2）多层可折叠剪纸皮肤（Mylar/Dyneema bilayer），通过激光切割和热压技术制备，单元尺寸为a=6 mm、b=4 mm、c=8 mm、d=16 mm、e=8 mm；（3）基于中央模式发生器（CPG）的神经控制架构，通过调节调制输入参数m实现0.1-1.5 Hz频率调控；（4）集成ToF距离传感器（Fermion TMF8701）的3D打印头部，支持5-20 cm障碍物检测。

机械性能验证
拉伸测试显示双层剪纸皮肤在位移速率0.5 mm/s下呈现典型的机械超材料（mechanical metamaterials） snapping行为，单层Mylar最大作用力6.2 N，双层Mylar-Dyneema为4.5 N。执行器在140 kPa压力下实现最大伸长率ε_P
=74%（后段）和ε_A
=60%（前段），弯曲角度达θ_AL
=63°（前左）和θ_PL
=49°（后左）。

摩擦特性调控
在PPI10粗糙表面（孔径?=2.54 mm）上，充气状态（AP模式）的摩擦不对称比μ_R
/μ_C
接近1，而静态测试中未充气状态该比值>1。动态牵引力测试表明，相位差φ=T/4时产生最大平均拉力F?_max
^coarse
=0.262 N，与运动速度呈强相关性（R_v?-F?
^coarse
=0.86）。

运动性能优化
在PPI30细密表面（孔径0.85 mm）上，φ=T/4相位差配合0.5-1 Hz频率区间实现最佳运动速度v?_max
^fine
=6.33 mm/s。理论模型证实相位差通过调节锚定摩擦力分布影响运动效率。

多模态转向控制
通过非对称步态实现三种转向模式：（1）同步激活前后段相反腔室（如C_AR
+C_PL
）实现原地旋转；（2）后段双腔同步+前段单腔φ=T/4相位差触发侧向运动；（3）前段双腔同步+后段单腔φ=T/4相位差产生曲线轨迹。在障碍物实验中，结合实时传感器反馈的辅助遥操作（assisted teleoperation）系统成功引导机器人完成18分钟导航任务。

该研究首次将多稳态剪纸皮肤与双向变形执行器结合，解决了传统设计中弯曲导致的皮肤变形不可控问题。通过CPG控制实现频率-相位协同调节，为软体机器人在管道检测、灾难救援等非结构化环境中的应用提供了关键技术支撑。未来研究方向包括传感器微型化、自适应算法开发以及无缆化系统集成，以进一步提升环境适应性和操作自主性。