这款磁性机械臂的灵感来自章鱼触手

折叠起来的机械臂看起来就像一把小型六角手风琴，这是一种可以伸展和折叠的类似手风琴的乐器。与六角手风琴不同，这种机械臂无法演奏旋律，但它可以以精巧且可能有用的方式展开和摆动。

周一发表在《国家科学院院刊》上的一项新研究详细描述了这种设计，其灵感来自章鱼手臂，模仿章鱼手臂伸展、扭曲和操纵物体的方式。它的创造者希望它可以集成到生物医学应用中，帮助进行微创手术，例如将呼吸管从口腔插入气管或插入导管。

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“章鱼的神经系统实际上位于其手臂中。我们在这里做的是模仿一个高度智能的手臂系统，”斯坦福大学机械工程助理教授、新论文作者 Ruike Renee Zhao 说道。“由于它的手臂非常灵活，它可以有数百、数千种不同的动作来与物体互动。”

新型机械臂的灵活性源于几个关键特性，包括由磁场而不是马达驱动的运动、受折纸启发的面板和柔软的外骨骼。

一串微小的片段组成了一条手臂。每一段内，两块嵌入磁性粒子的六角形软硅板夹着倾斜的塑料面板，这些面板采用克雷斯林折纸图案设计，这是一种通过扭转来延长和收缩的折纸风格。面板的形状使手臂可以伸展成管状，也可以收缩成压缩状态。

由于整个机械臂上都有磁化板，因此可以使用强磁场进行远程操作，类似于 MRI 扫描仪内部产生的磁场。在测试阶段，研究人员使用电磁线圈在手臂周围产生三维磁场。通过调整手臂周围磁场的方向，他们可以产生扭矩来驱动单个折纸单元的运动和变形。该设计还允许研究人员独立控制手臂的每个部分以微调动作。

“通过控制外部磁场，它可以有拉伸行为、弯曲行为以及拉伸和弯曲的结合，”赵说。“我们可以控制它开始弯曲的点。”

手臂的一切都可以定制，从磁化强度到尺寸，再到制造材料，再到由多少个单元组成。

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在传统的机械臂中，工程师需要为机械臂移动的每个方向（沿 x 轴、y 轴或 z 轴）编写驱动力。这些力通常由电机提供动力。这意味着，为了让机械臂有更大的运动范围，需要更多的电机。

但由于赵和她的团队使用的是带有外部磁致动器的磁性材料（有点像遥控器），他们只需施加一个场即可为任何方向的大范围运动提供动力。

“如果我们考虑传统的机器人系统，例如儿童玩具或汽车，它们总是将电机直接嵌入机器人系统本身。这样做的缺点是整个系统会变得非常大，因为你需要为电机和控制单元留出空间，”赵说。然而，当机器人驱动由场控制时，驱动力就与机械臂本身分离了。“这使我们能够最小化整个系统的尺寸。”

从某种程度上来说，八臂以力量换取敏捷性；它仍然可以举起物体，但无法打败装有关节和活塞的金属臂。“在生物医学领域，关键不是举起很重的物体，最重要的一点是准确控制物体的操纵，”赵说。“在人体中，我们体内没有铁球，我们不需要处理很重的东西。我们需要的是一种巧妙的方式来穿越不同的通道。”