2025 高中科技实践之折纸机器人课件.pptxVIP

一、从“纸艺”到“智械”：折纸机器人的背景与意义演讲人

从“纸艺”到“智械”：折纸机器人的背景与意义01从“设计图”到“实物”：折纸机器人的实践路径02从“折叠”到“智能”：折纸机器人的核心原理03从“课堂”到“未来”：折纸机器人的拓展思考04目录

2025高中科技实践之折纸机器人课件

各位老师、同学们：

大家好！作为一名从事中学科技教育十余年的指导教师，我始终相信：最好的科技教育，是让学生用“动手”叩开“动脑”的门。今天要和大家分享的“折纸机器人”实践项目，正是这样一个能将传统智慧与前沿科技、艺术美感与工程逻辑深度融合的载体。它不仅能让同学们在折折叠叠中理解机械原理、材料科学与智能控制的奥秘，更能在解决实际问题的过程中，真正体会“科技源于生活，创新始于实践”的魅力。接下来，我将从背景溯源、核心原理、实践路径、拓展思考四个维度，带大家系统走进这个充满趣味与挑战的领域。

01从“纸艺”到“智械”：折纸机器人的背景与意义

1传统折纸的科技基因当我们提起“折纸”，首先想到的可能是童年折过的纸飞机、千纸鹤。但鲜为人知的是，折纸艺术自公元前1世纪诞生以来，始终与科学技术同频共振。中国汉代的“包桑纸”折叠工艺、日本江户时代的“秘传折法”，本质上都是人类对“二维到三维”空间变换规律的早期探索。1989年，美国喷气推进实验室（JPL）工程师受折纸启发，将哈勃望远镜的太阳能板设计成可折叠结构，成功解决了太空设备“发射体积小、展开面积大”的矛盾——这标志着传统折纸正式迈入“工程折纸”（OrigamiEngineering）的新纪元。

2高中阶段引入的必要性对高中生而言，折纸机器人实践项目具有独特的教育价值：

跨学科融合：需综合运用数学（几何拓扑）、物理（力与运动）、化学（材料特性）、信息技术（编程控制）等多学科知识，打破“单科壁垒”；

低门槛高上限：基础材料（如普通纸张、铜箔）易获取，进阶材料（如形状记忆聚合物）可拓展，适合不同能力层次的学生参与；

问题驱动学习：从“如何让纸结构自主折叠”到“如何实现精准运动控制”，每个环节都需要学生主动分析、试错、优化，真正践行“做中学”。

我曾带学生用普通A4纸和步进电机制作过一个“六足折纸机器人”，最初因折叠角度计算错误，机器人总是“原地打转”。学生们反复测量折痕角度、调整电机参数，最终不仅解决了问题，更深刻理解了“机械运动中力的矢量分解”——这样的经历，比课本上的公式推导更令人难忘。

02从“折叠”到“智能”：折纸机器人的核心原理

从“折叠”到“智能”：折纸机器人的核心原理要制作一个能自主折叠、运动的折纸机器人，需掌握三大核心模块：结构设计、驱动系统、控制逻辑。这三个模块环环相扣，如同机器人的“骨架”“肌肉”和“大脑”。

1结构设计：从二维到三维的数学密码折纸机器人的结构设计，本质是“折痕模式”（CreasePattern）的数学建模。一个合格的折痕设计需满足两个条件：

可展性：所有折痕需构成“可展曲面”（DevelopableSurface），即折叠过程中纸张无拉伸、无撕裂；

目标形态：折叠后需形成预设的三维结构（如立方体、多足行走机构）。

以“Miura折叠”（三浦折叠）为例，这种由日本物理学家三浦公亮发明的折法，通过菱形单元的“正负交替折叠”，可实现平面到曲面的高效展开（展开面积可达原面积的8倍）。学生可通过两款软件辅助设计：

TurtleGeometry（适合初学者）：通过编写简单代码生成基础折痕模式；

1结构设计：从二维到三维的数学密码OrigamiSimulator（适合进阶者）：可模拟折叠过程，验证结构的力学稳定性。

去年有学生尝试设计“自展开救援担架”，最初用普通方格折痕导致展开时边缘卷曲，后来引入Miura折叠的菱形单元，成功实现了“小体积收纳-大平面展开”的目标——这就是数学建模在实践中的直接应用。

2驱动系统：让纸张“主动”折叠的动力源传统折纸依赖人力折叠，而折纸机器人需要“自驱动”能力。目前主流的驱动方式有以下四类，各有优劣：

|驱动类型|原理|适用场景|高中生实践建议|

|----------------|-----------------------|-------------------------|-------------------------|

|热驱动|形状记忆材料（如SMP）受热变形|低速、大变形场景|用镍钛合金丝或热缩膜验证|

|电驱动|压电陶瓷或电活性聚合物（EAP）通电形变|高频、微幅运动|需外接电源，操作较复杂|

2驱动系统：让纸张“主动”折叠的动力源|湿度驱动|纤维素基材料吸/放湿膨胀/收缩|环境响应型机器人（如土壤探测）|用普通滤纸+蜡涂层实现|

|磁驱动|磁性