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        美國(guó)團(tuán)隊(duì)在二維剪紙結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)邊界形狀,并通過拉伸實(shí)現(xiàn)任意三維曲面,有望用于海洋生物探索

        2022-03-27 00:29:09
        海外星云 2022年5期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        紙也能抓生蛋黃?紙也能抓住小魚?甚至抓一根頭發(fā)絲,又或400克重的砝碼?

        近日,美國(guó)北卡州立大學(xué)尹杰團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款剪紙抓手,該剪紙可以抓起易碎的生蛋黃,并將它完好無損地放回原處。

        兜住蛋黃的剪紙

        并能以同樣的方式移動(dòng)活魚、肥皂泡、SD卡、一根頭發(fā)和上述砝碼等。

        2022年1月26日,相關(guān)論文以《邊界曲率引導(dǎo)的可編程形狀變形剪紙片》為題發(fā)表。

        兜住頭發(fā)的剪紙

        兜住小魚的剪紙

        據(jù)介紹,作為中國(guó)最古老的民間藝術(shù)之一,剪紙藝術(shù)可通過切割來引導(dǎo)二維到三維的變形,提供了一種高效地實(shí)現(xiàn)平面到各種三維形狀變化的途徑?,F(xiàn)有的三維曲面剪紙?jiān)O(shè)計(jì)依賴于復(fù)雜切割圖案,這使得逆向設(shè)計(jì)剪紙圖案極具挑戰(zhàn)性。

        剪紙表情變換

        說到曲面就得提到微分幾何中的經(jīng)典Gauss-Bonnet定理,該定理給出了沿邊界的測(cè)地線曲率與曲面高斯曲率等的積分關(guān)系。受該定理啟發(fā),研究中,該團(tuán)隊(duì)利用正向和反向設(shè)計(jì),對(duì)切割邊界的曲率、而不是剪紙片中的復(fù)雜切割模式進(jìn)行編程,以實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)三維曲面形狀。

        這一策略將平面剪紙邊界形狀與三維曲面形狀相關(guān)聯(lián),三維結(jié)構(gòu)的最終形狀取決于材料的外邊界,因此在很大程度上簡(jiǎn)化了平面剪紙的逆向設(shè)計(jì)。例如,具有圓形邊界的二維材料將形成球形三維形狀。

        利用該策略,他們展示了讓剪紙作為通用且無損抓取器的潛在應(yīng)用。在剪紙材料上,該團(tuán)隊(duì)使用0.13毫米厚的常見PET塑料薄片,通過激光切割來生成剪紙。不同邊界形狀的薄片被切割成許多離散的平行條帶,通過簡(jiǎn)單拉伸薄片就可以輕松生成不同曲率的三維曲面。

        當(dāng)然,該設(shè)計(jì)思路也可用于多種材料,只要稍微有點(diǎn)鋼度不易切碎的材料就可以。該研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)于軟到極致的物體的成功抓取。

        盡管此前的軟機(jī)器人或各種軟機(jī)械手可以抓很多物體,但是很難抓取比豆腐還要軟的物體,比如海洋生物或蛋黃。而尹杰團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)了這一極限,成功抓取了蛋黃這種又滑、又極易破碎的物體。

        之前多數(shù)研究都是通過擠壓方式,就像用手指一樣去捏目標(biāo)物體,通過摩擦力把目標(biāo)物體給提起來。而該研究的抓取無需擠壓目標(biāo)物體,從而實(shí)現(xiàn)無損抓取。

        這種抓取更貼切地說是捧取,通過牽引兩個(gè)端點(diǎn)去捧起目標(biāo)物體,即可將目標(biāo)物體很好地兜起來。對(duì)于研究原理,他用一張紙做比方,當(dāng)紙覆蓋到球狀體上,因?yàn)榍虮旧硎遣黄降?,這張紙會(huì)產(chǎn)生一些褶皺。

        這時(shí)就可采取剪紙法,將紙生成三維的形狀。他說:“這類實(shí)驗(yàn)以前有人做過,他們使用了非常復(fù)雜的方法,通過設(shè)計(jì)和剪輯,最后生成了非常復(fù)雜的切割圖案,以便完全貼合球體表面。

        相比而言,我們的實(shí)驗(yàn)操作比較簡(jiǎn)單,只是在二維結(jié)構(gòu)上面設(shè)計(jì)了邊界區(qū)域的形狀,最終通過拉伸的過程,來實(shí)現(xiàn)任意三維曲面曲率的形狀?!?/p>

        一開始,該團(tuán)隊(duì)設(shè)想采取逆向設(shè)計(jì)的方法,即先設(shè)定希望達(dá)到的復(fù)雜形狀,然后以始為終地設(shè)計(jì)裁剪原材料。

        但這是一個(gè)力學(xué)與幾何相關(guān)聯(lián)的理論問題,復(fù)雜度較高。在相繼攻克正向與逆向理論模型與設(shè)計(jì)后,他們開始轉(zhuǎn)換思路,想是否能生成更有意思的圖案?

        后來,他們想到了川劇變臉,并通過對(duì)雙穩(wěn)態(tài)形貌的控制實(shí)現(xiàn)了能切換表情的剪紙。此次研究的另一靈感來于捕蠅草,論文的作者博士生洪堯燁設(shè)計(jì)了一個(gè)和捕蠅草比較類似的結(jié)構(gòu):兩端是一個(gè)圓形,中間是雙凹型,二維結(jié)構(gòu)由不同曲率的邊界包圍許多平行紙帶構(gòu)成。

        圓弧、直線、雙凹線的邊界設(shè)計(jì),讓材料結(jié)構(gòu)在單向拉伸中,可以改變邊界曲率的能力,從而能產(chǎn)生不同高斯曲率的三維形狀。兩個(gè)圓相當(dāng)于兩個(gè)手掌,拉取過程中,材料結(jié)構(gòu)會(huì)從一個(gè)平面變成一個(gè)半球面,中間地方變成一個(gè)像薯片的形狀。

        兜起砝碼

        當(dāng)兩個(gè)球合攏,就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)抓取的動(dòng)作?!白ト【确浅8?,我們還展示了該結(jié)構(gòu)可以輕易地抓一根直徑大約五十微米的頭發(fā),這是非常驚艷的。對(duì)于蛋黃的成功抓取,我也挺吃驚的?!币苷f。

        對(duì)于材料的耐受力,要拉斷PET材料的話,大概需要至少5%~10%以上的應(yīng)變。該團(tuán)隊(duì)嘗試抓取重量比PET剪紙抓手(自重0.4克)高1000倍的物體,在抓取1400次以后依然沒有太大變化。

        達(dá)到1500次以后,開始有一些疲勞變形,1800次的時(shí)候會(huì)發(fā)生斷裂。這取決于材料本身的性質(zhì),后續(xù)可通過材料選擇來進(jìn)一步提升耐受力。

        尹杰表示,該研究為形狀編程材料的邊界曲率編碼開辟出一條新途徑,在軟機(jī)器人和可穿戴設(shè)備中具有潛在應(yīng)用。

        由于該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)高精度的抓取,因此在工業(yè)界也具備一些潛在應(yīng)用場(chǎng)景,譬如可用于微電機(jī)系統(tǒng)加工領(lǐng)域、以及精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域等。由于該材料能與膝蓋進(jìn)行很好的貼合,并可以適應(yīng)膝蓋運(yùn)動(dòng)過程中的變形,因此論文提及的一個(gè)應(yīng)用是可穿戴電子器件,即對(duì)膝蓋進(jìn)行熱敷。

        另一個(gè)潛在應(yīng)用是用于海洋生物探索。目前,在海洋生物抓取上,一般使用“硅膠手指”,借此模擬人類抓取動(dòng)作,通常采用氣動(dòng)的方式。抓一些大型海洋動(dòng)物當(dāng)然沒有問題,但是抓一些比較小、又比較軟的海洋生物就比較費(fèi)勁。

        此次的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在抓取軟體生物方面具有優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)輕松、且無損的抓取。另外,比較接近生活實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景還有農(nóng)牧業(yè)中水果摘取和胚胎實(shí)驗(yàn),比如摘取黑莓等。

        尹杰團(tuán)隊(duì)部分論文作者合影從左到右:赤銀鼎、李艷濱、尹杰、洪堯燁

        對(duì)于該研究,三個(gè)審稿人的公開評(píng)審意見評(píng)價(jià)很一致,都認(rèn)為是一項(xiàng)很漂亮的工作,既有扎實(shí)的力學(xué)幾何理論模型預(yù)測(cè),也有基于理論模型的獨(dú)特有趣的應(yīng)用。

        從理論到曲面三維形狀再到其獨(dú)特應(yīng)用的背后,該團(tuán)隊(duì)摸索了很長(zhǎng)一段時(shí)間。在將剪紙?jiān)O(shè)計(jì)拓展到更復(fù)雜的三維曲面形狀時(shí),尹杰表示有件趣事讓學(xué)生洪堯燁和自己很難忘:在形成人臉剪紙時(shí),通過拉取,剪紙能形成兩個(gè)眼睛和一個(gè)嘴巴,這時(shí)整個(gè)臉的形狀就凸顯出來。其表示:“我覺得挺神奇的。后來了解到,人臉識(shí)別也是用的這種測(cè)地線原理?!?/p>

        在實(shí)現(xiàn)這些有趣三維曲面形狀后,怎樣更好地利用與展現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn),迫使尹杰團(tuán)隊(duì)去尋找一些更創(chuàng)新的想法。于是,洪堯燁從捕蠅草身上找到靈感,借此進(jìn)一步拓寬了其獨(dú)特應(yīng)用場(chǎng)景,包括對(duì)于生蛋黃、活魚甚至是頭發(fā)絲的抓取。

        該論文的第一作者同學(xué),洪堯燁本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué),后來到美國(guó)波士頓大學(xué)讀碩士,畢業(yè)后來到尹杰課題組讀博,目前還沒有畢業(yè)。他表示計(jì)劃畢業(yè)后追尋組里師兄們的足跡回國(guó)內(nèi)高校發(fā)展。 (綜合整理報(bào)道) (編輯/克珂)

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