“变形金刚”作为一种形状变换结构，不仅在娱乐和玩具领域具有广泛影响力，其技术理念也在机器人、医疗器械、建筑与结构工程等领域有着广泛应用前景。目前，大多数变形结构只能实现有限的构型变换，并且需要依赖复杂的驱动系统。如何设计一种变形结构，使其能够从单一构型简单且高效地变化出大量多样的几何构型，是一个亟待解决的难题。
近日，北卡罗来纳州立大学科研团队，通过结合多级机构概念和厚板折纸技术，提出了一种类似变形金刚的变体折纸超结构。该结构通过较低自由度（不超过3个驱动器），即可变化出超过一千种形态各异的构型，且具有可重构、可重组、可再编程和可逆设计等优点。相关论文发表在《自然—通讯》（Nature Communications）杂志上。
研究团队通过在特定旋转轴上安装远程操控的控制系统，可以实现类似变形金刚自主变换的结构。在无线编码指令下，这种变体折纸超结构短时间内可连续变换成各种所需形状和功能，例如多层建筑、桥梁、隧道，以及多模态移动变体机器人。这些机器人既可以通过身体的形状变换实现前进后退、左右横行，也可以迅速切换成传统爬行机器人模式负重前行。
考虑到刚性转动折纸结构可以简化为机械运动机构，该工作选择了几种代表性的空间运动闭环机构作为基本结构和各阶机构图案。其中，多级折纸超结构通过将高阶机构的连杆由低阶结构替代设计而成。在实际设计中，多级机构的旋转轴和连杆分别对应于折纸结构的线型折痕和由多面体组成的结构单元。该工作从正方体结构单元出发，从设计、理论、数值模拟及潜在应用方面系统研究了该多级折纸变体超结构。
这种奇妙的设计不受尺度限制，团队展示了其在米级、可展、可重构建筑结构中的应用，并展望了其在可重构太空机器人和太空基地中的潜在应用前景。该工作有望应用于变体机器人、快速可展可重构建筑、太空机器人及医疗设备等领域。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50497-5
（以上图片皆为课题组提供）
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