“折紙機器人”是最先進(jìn)的軟，柔性機器人，已經(jīng)過(guò)測試，可用于各種應用，包括人體藥物輸送，災難環(huán)境中的搜索和救援任務(wù)以及類(lèi)人機器人手臂。

因為這些機器人需要靈活，所以它們通常由柔軟的材料制成，例如紙張，塑料和橡膠。為了發(fā)揮功能，通常會(huì )在頂部添加傳感器和電氣組件，但這會(huì )增加設備的體積。

現在，一個(gè)由NUS研究人員組成的團隊已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新穎的方法來(lái)創(chuàng )建一種用于這些軟機器人的新型金屬基材料。

這種新材料將鉑等金屬與燒紙(灰燼)結合在一起，具有增強的功能，同時(shí)保持了傳統紙和塑料的可折疊性和輕便性。實(shí)際上，新材料的重量是紙的一半，這也使其具有更高的能效。

這些特性使這種材料成為制造柔韌而輕巧的假肢的強有力的候選者，該假肢的重量比傳統假肢輕60%。這樣的假體可以提供實(shí)時(shí)的應變感測，以反饋有關(guān)其彎曲程度的信息，從而為用戶(hù)提供更好的控制和即時(shí)信息，而無(wú)需外部傳感器，否則外部傳感器會(huì )給假體增加不必要的重量。

這種輕巧的金屬骨架比用于制造折紙機器人的傳統材料輕至少三倍。它還具有更高的能源效率，使折紙機器人能夠以比原來(lái)少30%的能源來(lái)更快地工作。此外，這種新型材料具有耐火性，適合制造在惡劣環(huán)境下工作的機器人，因為它可以承受約800°C的燃燒長(cháng)達5分鐘。

另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這種新型導電材料具有按需地熱加熱的功能-通過(guò)該材料發(fā)送電壓會(huì )導致其加熱，這有助于防止機器人在寒冷環(huán)境中工作時(shí)結冰。這些屬性可用于創(chuàng )建輕便靈活的搜索救援機器人，這些機器人可以進(jìn)入危險區域，同時(shí)提供實(shí)時(shí)反饋和通信。

這種金屬基材料是由團隊開(kāi)發(fā)的一種新工藝生產(chǎn)的，該工藝稱(chēng)為“氧化石墨烯啟用的模板合成”。首先將纖維素紙浸入氧化石墨烯溶液中，然后再將其浸入由金屬離子(例如鉑)制成的溶液中。然后將材料在惰性氣體氬氣中于800°C，然后在500°C的空氣中燃燒。

最終產(chǎn)品是由70%的鉑和30%的無(wú)定形碳(灰分)組成的金屬薄層(90微米(μm)或0.09mm)，其柔韌性足以彎曲，折疊和拉伸。這一重大研究突破已于2019年8月28日發(fā)表在著(zhù)名的科學(xué)雜志《科學(xué)機器人》上。也可以使用其他金屬，例如金和銀。

小組組長(cháng)助理助理陳寶仁教授在研究中使用了切成鳳凰形狀的纖維素模板。美國國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系的陳教授說(shuō)：“我們受到了神話(huà)中生物的啟發(fā)。就像鳳凰一樣，它可以被燃燒成灰燼，重生變得比以前更強大。”

智慧折紙機器人的導電骨架

該團隊的材料可以充當機械穩定，柔軟且導電的骨架，從而使機器人具備應變感應和通訊功能，而無(wú)需外部電子設備。具有導電性意味著(zhù)該材料充當其自身的無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)，從而使其可以與遠程操作員或其他機器人進(jìn)行通信，而無(wú)需外部通信模塊。這擴大了折紙機器人的范圍，例如在高風(fēng)險環(huán)境(例如化學(xué)泄漏和火災)中作為遠程束縛式機器人或用作人造肌肉或人形機器人手臂而工作。

“我們嘗試了不同的導電材料，最終得出了一種獨特的組合，可以實(shí)現最佳的應變感應和無(wú)線(xiàn)通信功能。因此，我們的發(fā)明擴展了用于制造高級機器人的非常規材料庫，”楊海濤博士說(shuō)?；瘜W(xué)與生物分子工程系和該研究的第一作者。

在他們的下一步研究中，陳副教授及其團隊正在研究為金屬骨架增加更多功能。一個(gè)有前途的方向是將電化學(xué)活性材料摻入到制造能量存儲設備中，從而使材料本身就是其自身的電池，從而允許創(chuàng )建自供電機器人。該小組還在試驗其他金屬，例如銅，這將降低材料的生產(chǎn)成本。