可充气剪纸爬行机器人：基于几何非线性调控的仿生软体机器人设计与多模态运动研究

本文创新性地将剪纸（kirigami）结构与热封纺织材料结合，开发出具有定向摩擦各向异性的可充气软体驱动器。通过周期性气动驱动，该驱动器展现出两倍于传统气囊的收缩率，并自发形成类蛇腹鳞片结构，实现仿生多模态运动（包括直线爬行、蜿蜒运动和转向）。研究通过有限元（FE）模拟和实验验证了其在不同粗糙度表面的适应性，为无刚性部件的全纺织软体机器人提供了新范式。

　　

可充气剪纸驱动器的设计原理
研究团队通过激光切割技术在TPU涂层尼龙（210 den，275 g·m^?2）中引入交错线性切割图案，中间夹层采用80 g·m^?2的掩膜纸形成气腔。热压密封（160°C，10 s）后，充气至100 kPa时切割边缘发生重叠自组装，产生均匀收缩（约40%），较无切割结构的传统气囊提升两倍性能。这种几何非线性变形机制促使密封边缘局部旋转，形成具有涌现特征的鳞片状表面结构。

双通道驱动与运动调控
改进的双通道设计（图1D）通过独立控制两个平行气腔实现双向弯曲（±15°）。实验显示，相位差20 s的交替充气可产生稳定转向，而同步充气保持直线运动。有限元模拟（ABAQUS 2024）证实，材料各向同性假设（E=1 MPa，ν=0.3）下，自接触模型能准确预测重叠鳞片的刚度变化行为。

摩擦各向异性机制
数字图像相关（DIC）分析表明，充气态驱动器在粗糙表面（PPI10泡沫）的逆向摩擦系数（μ_backward=0.48）显著高于正向（μ_forward=0.25），各向异性比达1.92。这种特性源于鳞片重叠形成的定向纹理，与蛇类腹鳞的摩擦增强机制相似。

多模块协同运动
三模块六通道爬行器通过相位差（φ=π/2）控制实现两种步态：直线步态（所有通道同步充气）和蛇形步态（交替通道联动）。在PPI10表面，最优驱动周期（T=25 s）下速度达1.2 mm·s^?1，较单模块提升60%。值得注意的是，中段模块的时序调控对克服摩擦阻力具有关键作用。

复杂环境适应性验证
户外测试中，该机器人成功穿越沥青路面、金属格栅（图6F）和15°倾斜混凝土坡道（图6C）。其无刚性部件的全纺织结构展现出对间隙（>5 mm）和表面粗糙度（PPI10-PPI60）的鲁棒适应性，为管道检测等应用提供了新思路。

技术局限与展望
当前系统需外接气泵（VN2708 PM）和六组电磁阀（Parker X-Valve），未来可通过气动多路复用技术简化控制。研究团队指出，模块化设计允许通过增减单元数量调节负载能力，但需平衡重量分布与运动效率的关系。这项工作为基于几何非线性调控的软体机器人设计提供了普适性框架。