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）