基于Kresling偶极子的四单元Kresling履带的机构。(A)Kresling装置的示意图，显示了伴随扭曲变形的收缩。(B)由两个折痕方向相反的标准Kresling单元组成的Kresling偶极子的示意图，显示收缩期间两端没有旋转(绿色圆圈),但中心平面有旋转(蓝色圆圈)。(Kresling装置的实验测量扭矩收缩曲线。收缩定义为H/H，其中H是装置的初始高度，H是初始高度和收缩高度之差。参数Te被定义为装置收缩35%时有效爬行运动的相应扭矩。实线是三个Kresling单位样本的平均响应，阴影区域代表响应范围。(D)由两个Kresling偶极子制成的Kresling履带车的示意图，显示在中心平面和两端没有旋转。(E)驱动Kresling履带车同时收缩所有装置所需的扭矩分配。(F)对所有单元同时收缩所得到的扭矩分布进行有限元分析验证。信用:科学进展(2022)。DOI: 10.1126/ sciadv.abm7834材料科学家旨在开发仿生软机器人爬行器，包括蚯蚓状和尺蠖状c形爬行器，以通过面内和面外收缩实现移动，用于各种工程应用。虽然这种设备可以在有限的空间中显示有效的运动，但是由于复杂和有限的驱动，小型化的概念是具有挑战性的。在科学进展发表的一份新报告中，齐骥泽和美国斯坦福大学和俄亥俄州立大学机械工程和航空航天工程的科学家团队描述了一种磁力驱动的小型折纸爬虫，表现出平面收缩。该团队通过一个四单元Kresling折纸组件实现了收缩机制，以促进具有爬行或转向能力的无束缚机器人的运动。由于其磁可调结构刚度和各向异性，该履带克服了严重受限空间中的大阻力。该装置提供了一种用于药物储存和释放的装置，有可能作为生物医学中的微创设备。导航复杂的地形
由于其柔软的可变形尺寸，生物启发的爬行运动显示出对复杂地形的适应性。研究人员旨在设计有限或受限环境中的各种应用，包括外星探索、管道检查和胃肠内窥镜检查。Origami提供了一种适当的方法来产生相对于结构折叠的收缩，这可以适用于工程机器人履带车。研究小组描述了克瑞斯林模式；一种特定类型的受生物启发的折纸模式，用于在扭矩或压缩力下产生轴向收缩，与装置单元相对旋转产生的扭曲相结合。Ze等人举例说明了一种磁力驱动的小型折纸爬行器，以诱导有效的平面内爬行运动。科学家们开发了一种四单元Kresling组件，并使用有限元分析验证了履带上的扭矩分配，以诱导运动。该装置还提供了药物储存和释放能力，以说明多功能履带车。
kre sling履带车的磁力驱动机构。(A)一个指尖的图像，该指尖握着制作好的Kresling爬行器和设计好的用于分配到rques的四个磁性板的磁化方向。(B)初始状态和收缩状态下的履带配置和磁化方向。By是沿其净磁化方向施加到履带上的磁场。角度θr是收缩时θ2或θ3的总旋转角度。TmU1、TmU2、TmU3和TmU4分别是在磁致动下单元U1、U2、U3和U4上的扭矩大小。磁性板顶点上的绿色标记表示Kresling履带的两端没有转动。(C)收缩期间单位U1和U2 (U4和U3)之间的扭矩比。单元收缩35%(旋转角度θr为32°)被定义为在合理的小扭矩下的有效爬行运动。请注意，角度θ1和θ4在收缩期间保持不变。角度θ2和θ3被设计为在106°和74°之间摆动，以最小化收缩期间磁转矩的动态波动。(D)40mt磁场下的磁激励收缩。(E)不同磁场强度下Kresling履带收缩的特征。收缩定义为1 ℓ/l，其中l和ℓ分别是初始状态和收缩后履带的长度。实线是三个Kresling爬虫样本的平均响应，阴影区域代表响应的范围。比例尺，5毫米。鸣谢:科学进展(2022)。这些实验
在实验中，Ze等人基于Kresling单元的折痕方向显示顺时针或逆时针扭转方向。对于平移爬行，他们设计了Kresling爬行器以避免横向移动，并通过引入Kresling偶极子来实现这一点；由两个具有相似几何形状和相反折痕方向的Kresling单元组成的现象，以显示镜像对称。该小组将该装置设计成单稳态或双稳态。单稳态功能有助于平稳和连续变形以及自动恢复，以在释放施加的负载后返回到履带的无应力初始状态。该团队展示了整个系统的扭矩平衡对于纯平移爬行运动的必要性，并通过有限元分析模拟履带的收缩运动来验证扭矩分布。
驱动方法:磁力驱动
Kresling机器人的爬行机构。(Kresling履带车在40 mT .标尺，5 mm的磁场下的单步幅，(B)步幅和(C)在各种磁场强度和频率下爬行运动的速度特征。信用:科学进展(2022)。Ze等人为履带提供了扭矩分配，以相对于适当的致动方法实现期望水平的同时收缩。磁致动是一种理想的选择，因为它为在有限空间中实时操纵履带提供了不受限制的快速响应。该过程还可以隔离电源并调节系统用于各种应用，包括体内药物输送，并且还显示出选择性激活折纸组件的可变形单元以进行有效运动的能力。Ze等人通过连接四个嵌有硬磁性颗粒的硅树脂磁性板来建立软机器人履带，以在调整磁性颗粒的体积分数后调整磁化密度。他们通过开发一个局部右手坐标系更好地定义了磁致动，并通过实验验证了磁致动，然后通过为机器人设计两只由聚合物和醋酸纤维胶带制成的脚来诱导摩擦。脚向机器人履带车的前部和后部区域施加各向异性摩擦，以促进平移运动。
krisling履带车的转向和导航。(A)转向机构。(X和Y)和(X和Y)分别指全局和局部(变形)配置。爬行器总是倾向于将其净磁化Mnet与施加的磁场方向对齐。(B)在选定时间的“Z”爬行路径(三个直线段)。(C)在选定时间的“O”爬行路径(连续角度变化)。比例尺，5毫米。鸣谢:科学进展(2022)。DOI: 10.1126/sciadv.abm7834生物医学环境中的转向能力
研究小组使机器人能够在复杂的环境中导航，与现有的履带相比，磁激励Kresling履带具有多个自由度。例如，在10 mT的磁场中，该团队完成了履带的刚体旋转，此外还在40 mT的磁场中围绕“O”路径连续改变导航。这种转向能力将在生物医学环境中有用，在这种环境中，组织和器官之间接触的大阻力会阻碍有限空间内软机器的运动。科学家们最终开发了一种Kresling爬虫，以敏捷的方式爬行，在精确的磁场调节下转向，并在有限的空间中移动，用于生物医学应用，包括内窥镜检查或按需药物释放以及活检。Ze等人设想将微型摄像机、镊子和药丸集成到设置中，以促进这些功能。作为概念的证明，他们展示了从Kresling origami crawler的内腔储存和释放药物的能力。
。使用Kresling爬虫进行药物存储和释放的概念方案。(A)带通孔的改进型Kresling履带车的分解图和装配图。前Kresling单元的内腔用于储存药丸。(Kresling履带车初始和收缩状态下的药丸位置。履带收缩而不干扰圆柱形药丸。(C)药丸在4分钟内逐渐溶解在水中，如蓝色染料的强度所示。比例尺，5毫米。鸣谢:科学进展(2022)。DOI:10.1126/sciadv . abm 7834
克瑞斯林爬虫的收缩机制。信用:科学进展(2022)。DOI: 10.1126/ sciadv.abm7834受限空间爬行与药物输送。鸣谢:科学进展，doi: 10.1126/sciadv.abm7834展望:从实验室到临床
通过这种方式，齐吉泽和他的同事们形成了一种磁力驱动的小型履带，用于在有限的空间内进行有效的平面内爬行运动。研究人员通过使用磁性驱动展示了柔软的机器人折纸爬行器的作用机制。他们操纵微型机器人有效地克服了体内严重受限空间中通常遇到的巨大阻力。Ze等人基于Kresling单元的固有内腔强调了爬行器的药物储存和释放潜力。该团队设想该设备的转换潜力，最终通过将感觉、视觉和药物储存集成到Kresling origami内部空腔中，制造用于未来诊断和治疗的自主生物医学机器人。
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