當我們在觀看科幻電影時，有時會看到大致這樣的情景： 

一位美麗可愛的小女孩悄悄地打開了一本童話書，書中原本靜態、平面的圖畫突然就在紙面上跳動了起來，成為了栩栩如生、三維的真實物體...... 

（來源：Pixabay） 

如今，這一科幻場景或將很快成為現實了。 

近日，來自科羅拉多大學博爾德分校（CU Boulder）ATLAS 研究所的科學家團隊， 利用電液壓軟體機器人技術成功開發出了一個可變形物體系統 Electriflow ，其 “設計產品” 從可以彎曲脖子的千紙鶴、栩栩如生的米老鼠，到按一下按鈕就能擺動的花瓣，以及翩翩起舞的紙蝴蝶，著實令人眼花繚亂， 這些可變形物體不僅觸感逼真、薄如紙張，還能快速移動，而且運動過程中幾乎不會發出任何聲音。

日前，該團隊在計算機協會 ACM 2021 年設計交互系統（DIS）會議上展示了這一成果，相關研究論文也以 “Electriflow: Soft Electrohydraulic Building Blocks for Prototyping Shape-changing Interfaces” 為題發表在 The ACM Digital Library 上。 

（來源： The ACM Digital Library） 

“這個系統非常接近我們在自然界中看到的情況。我想，我們正在突破人類與機器交互方式的界限。” 該項目的負責人、CU Boulder 的研究生 Purnendu 說。 

不僅如此，研究團隊還專門研發出了配套的軟件工具，用于類似產品（比如可變形手機和可變形碗）的可變化形狀界面的設計、可視化和制作。 

 圖 | 一種柔性顯示器模型： 當手機收到通知時，手機會向上彎曲，無聲地將信息呈現給用戶（來源： 該論文） 

 圖 | 可以根據需要切換深、淺形態的水果碗模型（來源： 該論文） 

與傳統的可自運轉的設計不同，Electriflow 的設計并不需要任何電動發動機或其他傳統機器部件來實現。

實際上，研究團隊的靈感來源于一種名為 “人造肌肉” 的電液壓控制技術，這是一種被稱為液壓放大自愈靜電（hydraulically amplified self-healing electrostatic，HASEL）執行器的技術。

與由剛性金屬制成的傳統機器人部件不同，HASEL 執行器從流體中獲得動力。 打個比方，該執行器可以依靠靜電力使密封塑料袋中的硅油流動起來，硅油在其中作為電介質流體，就像人們擠壓番茄醬包一側時，其形狀也會相應產生變化。

“這些執行器的用途非常廣泛，它們其實就是一個個小袋子，通過改變袋子的形狀，其上的圖案就能‘活動起來’、完成各種不同類型的運動。” 論文作者之一 Acome 解釋道。 

圖 | 栩栩如生的米老鼠（來源： 該論文） 

實際上，科學家們此前已經嘗試過使用這種設計模仿自然界，例如通過改變形狀模仿各種生物（比如河豚或捕蠅草）從而嚇跑捕食者或者捕獲獵物。但正如 Purnendu 所說：“盡管對于某些動物來說，變換身體形狀是進行交流和維持生存的重要方式之一，但目前的技術仍存在速度慢、噪音大、體積大等局限性。從這個角度來看，我們是在嘗試利用計算機技術開發類似的形狀變換功能。” 

于是，Electriflow 應運而生。在沒有外部流體供應源的情況下在靜電激活時即時產生液壓，從而實現簡單緊湊的獨立設計。而且通過使用軟體材料，最終制成的產品觸感柔軟，效果也更加逼真。 

不過，要想利用上述電液壓機制完成靜態物體的移動，首先需要根據不同的移動需求，制作出相應的致動器。為此，研究團隊專門制作了三種致動器，分別被稱為 “鉸鏈形（Hinge-Bending）”、“月牙形（Crescent）” 和 “弦月形（Quarter-moon）” 致動器。 

圖 | 三種致動器的工作狀態變化及其對應的實驗圖像 （來源： 該論文） 

其中，鉸鏈形致動器主要由四部分組成：不可拉伸軟袋（紫色）、剛性應變限制層（深灰色）、可膨脹區域（藍色）以及電極。當輸入液壓時，靜電力驅動電極以拉鏈運動的方式逐漸相互靠近，這種拉鏈運動將電介質流體移動到可膨脹區域中。于是，隨著外加電壓的增加，物體特定部位出現折角，直到電極之間的靜電力和恢復液壓之間達到平衡。 

圖 | 致動器產生移動示意圖（來源： 該 論文） 

月牙形致動器和弦月形致動器工作原理類似，不過與鉸鏈形不同，這兩種致動器產生的不是突變的折痕狀變化，而是平滑的曲線狀移動，以應用于其他需要弧形運動的情況。其中，月牙形致動器可產生的最大彎曲角約為 60°，而弦月形致動器可產生約 40° 的彎曲，由此滿足于不同的彎曲和移動需求。

致動器做好了，如何驗證其效果呢？ 

研究團隊首先想到的是模擬蝴蝶：“通常，關于蝴蝶的書都是靜態的，那么能不能讓書中的蝴蝶‘活過來’并扇動翅膀呢？” 

最終實驗結果證明，這完全是可能的 —— 實驗中，研究團隊將弦月形致動器嵌入紙蝴蝶中，并開始增加電液壓，出人意料的是，這款 Electriflow 蝴蝶不僅完全可以自行扇動翅膀，而且速度極快，能夠以大約每秒 25 次的最高速度扇動翅膀，這比大多數真實的蝴蝶都要快，甚至可媲美于一些速度更快的飛蛾。

圖 | 正在扇動翅膀的折紙蝴蝶 

未來，研究團隊希望更多的藝術家和設計師能夠使用該團隊開發的工具來進一步突破人機交互的界限。

想象有一天，我們不僅僅是在書上看到會動的小昆蟲等，還能看到更多折疊成各種形狀的動物從任意紙張、塑料板等中 “躍” 出，跑跑跳跳，其樂融融。 

參考資料： 

https://www.colorado.edu/today/2021/07/20/origami-comes-life-new-shape-changing-materials 

https://dl.acm.org/doi/10.1145/3461778.3462093 

本文來自微信公眾號 “學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：吳婷婷，36氪經授權發布。