充气式软执行器可以通过简单的压力增加来改变形状，是软机器人系统的强大、轻便和灵活的组件。但有一个问题：这些执行器在加压时总是以同样的方式变形。
为了增强软机器人的功能，重要的是在软执行器中启用更多和更复杂的变形模式。
现在，来自哈佛大学约翰·A·鲍尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员从折纸中获得灵感，创造出一种充气结构，这种结构可以从单一压力源以复杂、独特的方式弯曲、扭曲和移动。
这项研究发表在《高级功能材料》上。
当今大多数充气式软执行器是单稳态的，这意味着它们需要恒定的压力输入来维持其充气状态。失去压力，结构就会收缩到唯一稳定的状态。
“如果你给一个单稳态结构充气，它总是给你相同的展开形状，当你释放压力时，它会恢复到相同的初始形状，”DavidMelancon说，他曾是SEAS的研究生，也是这篇论文的第一作者之一。“在这项工作中，我们使用双稳态折纸构建块来绕过这一限制。”
双稳态折纸块在两种不同的配置中是稳定的，并且不需要恒定的压力来保持部署。
该研究团队由威廉和阿美·关达诺夫（William and Ami Kuan Danoff）海洋应用力学教授卡蒂亚·贝托尔迪（Katia Bertoldi）领导，使用了一种被称为克雷斯林图案的经典折纸图案，其特征是在圆柱体上交替出现山脉和山谷褶皱，形成三角形细胞。
研究人员首先从Kresling模式中创建了简单的单稳态模块。为了解除双稳态，他们在折纸图案中添加了一个缺陷：一个额外的节点，创建一个四三角形圆顶，如果提供一定量的负压或正压，该圆顶可以弹出或弹出。
“它的工作方式很简单，”Antonio Elia Forte说，他曾是SEAS的博士后研究员，也是这篇论文的第一作者之一。“我们首先在特定压力下对结构进行充气，以弹出特定的细胞，即使移除压力也会保持弹出状态。然后，在这种新配置中，由于我们打破了对称性，我们可以简单地使用真空来触发弯曲、收缩或扭转。接下来，我们将结构充气到第二个压力，弹出额外的细胞，当我们再次抽真空。"
Forte目前是伦敦国王学院的助理教授。
Melancon目前是普林斯顿大学的博士后助理研究员，他说：“通过组装不同的模块并调整其几何形状，使其在不同的压力下发生咬合，我们可以创建具有复杂形状和变形模式的结构，这些结构可以只使用一个压力源预编程和激活。”。
研究人员构建了一个包含12个不同模块的执行器，并表明它可以执行多达8种不同的复杂运动。该团队还开发了一种算法，可以识别所需变形模式的最佳模块组合。
由于系统中起作用的力学是由几何驱动的，因此该方法可能导致跨尺度的应用。
Bertoldi说：“通过简单地增加和减少压力，我们的充气执行器可以执行复杂的任务，不需要电缆、电机或电力。”。“这对许多应用都很重要，包括外科手术或太空探索。”