Adaptive Hierarchical Origami Metastructures

要約

形状モーフィング機能は、生物学的システムと人工システムの両方で多機能性を実現するために重要です。
形状モーフィングのためのさまざまな戦略が、メタマテリアルやロボット工学への応用のために提案されています。
しかし、これらのアプローチのうち、比較的単純な作動および制御機構を使用して、製造後に多数の体積形状にシームレスに変形する機能を実現したものはほとんどありません。
自然界の厚い折り紙と階層からインスピレーションを得て、コンパクトな折り紙メタ構造の広範なライブラリを作成するための、多面体に基づく新しい階層構築方法を提案します。
我々は、単一の階層折り紙構造が、3 未満の作動自由度を利用し、単純な遷移運動学を採用することで達成される、103 を超える多用途の建築構成に自律的に適応できることを示します。
理論モデルを通じて、論文の形状変換を支配する基本原理を明らかにします。
さらに、これらの変換可能な階層構造の幅広い潜在的なアプリケーションも実証します。
これらには、さまざまな歩行移動や多方向移動が可能なアンテザード自律ロボットトランスフォーマーとしての用途や、迅速に自己展開可能で自己再構成可能なアーキテクチャとしての用途が含まれており、メートルスケールまでの拡張性を実証しています。
最後に、マルチタスクの再構成可能かつ展開可能な宇宙ロボットと生息地の概念を紹介し、これらのメタ構造の適応性と多用途性を示します。

要約(オリジナル)

Shape-morphing capabilities are crucial for enabling multifunctionality in both biological and artificial systems. Various strategies for shape morphing have been proposed for applications in metamaterials and robotics. However, few of these approaches have achieved the ability to seamlessly transform into a multitude of volumetric shapes post-fabrication using a relatively simple actuation and control mechanism. Taking inspiration from thick origami and hierarchies in nature, we present a new hierarchical construction method based on polyhedrons to create an extensive library of compact origami metastructures. We show that a single hierarchical origami structure can autonomously adapt to over 103 versatile architectural configurations, achieved with the utilization of fewer than 3 actuation degrees of freedom and employing simple transition kinematics. We uncover the fundamental principles governing theses shape transformation through theoretical models. Furthermore, we also demonstrate the wide-ranging potential applications of these transformable hierarchical structures. These include their uses as untethered and autonomous robotic transformers capable of various gait-shifting and multidirectional locomotion, as well as rapidly self-deployable and self-reconfigurable architecture, exemplifying its scalability up to the meter scale. Lastly, we introduce the concept of multitask reconfigurable and deployable space robots and habitats, showcasing the adaptability and versatility of these metastructures.

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