Cell Reports Physical Science | 面向機(jī)器人通用應(yīng)用的超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)研究
近日,中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所微創(chuàng)中心李英田副研究員課題組,與北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、新加坡國立大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院,在Cell子刊Cell Reports Physical Science上合作發(fā)表了題為“Ultra-tunable bistable structures for universal robotic applications”的文章。深圳先進(jìn)院蔣永康博士后為第一作者,李英田副研究員為唯一通訊作者,深圳先進(jìn)院為本文的第一單位與通訊單位。

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雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有快速響應(yīng)和力放大能力。利用穩(wěn)態(tài)特性和不穩(wěn)定性來快速釋放雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的能量可以提升機(jī)器人的諸多性能,例如高速運(yùn)動(dòng)、自適應(yīng)傳感和快速抓取等。然而,目前關(guān)于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在它們的穩(wěn)定狀態(tài),卻缺少對(duì)于他們中間狀態(tài)的研究。
為此,研究團(tuán)隊(duì)提出了一種能量壁壘可編程和觸發(fā)力跨數(shù)量級(jí)可變的超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),并可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景而進(jìn)行幾何構(gòu)型、尺寸、材料和驅(qū)動(dòng)方法的定制化設(shè)計(jì)。該雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)通過將片狀材料折疊成為特定的折痕圖案,具有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)、一個(gè)亞穩(wěn)定狀態(tài)和數(shù)量諸多的中間狀態(tài)。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時(shí),存在一個(gè)臨界點(diǎn),此時(shí)存儲(chǔ)的應(yīng)變能達(dá)到最大值,同時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生失穩(wěn),快速躍變至穩(wěn)態(tài)。而這項(xiàng)工作,主要研究的是在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)達(dá)到其臨界點(diǎn)之前的能量壁壘可編程的諸多中間狀態(tài)。
為了證明所提出結(jié)構(gòu)的可調(diào)性,研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了單體雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的觸發(fā)力可調(diào)整為最大值的 0.1%,同時(shí),使用不同設(shè)計(jì)參數(shù)制成的機(jī)械抓手能夾持的重量差別可達(dá)107倍。此外,為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)在機(jī)器人應(yīng)用上的潛力,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了不同的原型樣機(jī),包括機(jī)械捕蠅草、機(jī)器抓手,彈跳和游泳機(jī)器人、溫敏開關(guān)和分揀系統(tǒng)等。通過對(duì)于原型樣機(jī)的測(cè)試,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn):具有超靈敏“花蕊”的機(jī)器人捕蠅器可以在 10 ms內(nèi)完成蜜蜂的捕捉、雙穩(wěn)態(tài)抓手可以牢牢抓住到高速射來的乒乓球(10m/s)、彈跳機(jī)器人的跳躍高度可達(dá)機(jī)器人身高的24倍以上,等等。
該工作所展示的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的可調(diào)特性與廣泛的應(yīng)用潛力,可以拓展雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前沿,并為機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)工程、建筑和動(dòng)態(tài)藝術(shù)等領(lǐng)域的未來設(shè)計(jì)開辟新的道路。

超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的示意圖
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