8月26日，《科學(xué)》雜志子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）刊登了我校機(jī)械學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)題為“Tensegrity metamaterials for soft robotics”的特邀評(píng)述論文（Focus article）。論文對(duì)張拉整體結(jié)構(gòu)超材料軟體機(jī)器人的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述。機(jī)械學(xué)院文力教授為本文第一兼通訊作者，丁希侖教授與卓越百人博士后潘飛為本文的共同作者。

圖一 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》雜志發(fā)表評(píng)述文章

圖二、 張拉超材料軟體機(jī)器人

自從20世紀(jì)60年代巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）發(fā)明了“張拉整體結(jié)構(gòu)”以來(lái)，人類(lèi)已發(fā)現(xiàn)張力整體結(jié)構(gòu)廣泛存在于細(xì)胞骨架、肌肉-骨骼系統(tǒng)等生物體中，并逐步將其原理應(yīng)用于建筑、雕塑、空間探測(cè)等工程結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)中。由于張拉整體結(jié)構(gòu)具有剛?cè)岵?jì)、高機(jī)動(dòng)性、高魯棒性等優(yōu)勢(shì)，在機(jī)器人領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。軟體機(jī)器人，作為一種模仿生物并能與人安全交互的新型機(jī)器人，是近年來(lái)機(jī)器人學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。然而要想實(shí)現(xiàn)能媲美生物體運(yùn)動(dòng)靈活準(zhǔn)確、承受外載高效、適應(yīng)環(huán)境迅速等復(fù)雜特性和功能，軟體機(jī)器人在材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還面臨很大挑戰(zhàn)。由剛、柔結(jié)構(gòu)共同組成的張拉整體結(jié)構(gòu)就是一個(gè)新的突破點(diǎn)。然而，如何實(shí)現(xiàn)張拉整體結(jié)構(gòu)的快速制造，如何利用張拉整體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)軟體機(jī)器人機(jī)械性能等問(wèn)題尚待解決。

針對(duì)此問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)回顧并分析了傳統(tǒng)的張拉整體結(jié)構(gòu)，并著重介紹了Science Robotics近期報(bào)道的一種新的張拉整體結(jié)構(gòu)加工方法。該方法可以快速完成磁性軟材料和剛性桿件的一體化制造，并可用于加工具有壓扭/拉扭、力學(xué)性能可編程等特性的張拉整體結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料，應(yīng)用于軟體機(jī)器人設(shè)計(jì) ( https://doi.org/10.1126/scirobotics.aay9024)?；谶@種超材料的軟體機(jī)器人在磁場(chǎng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)翻滾、定向爬行等多種運(yùn)動(dòng)模式。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該一體化制造方法成功地將功能化軟材料網(wǎng)絡(luò)和孤立的剛性桿快速有效地集成在一起，為制造多尺度、多材料的可編程張拉整體結(jié)構(gòu)提供了可行方法。

同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)展望了張拉整體結(jié)構(gòu)超材料軟體機(jī)器人的研究方向與未來(lái)前景。由于超材料設(shè)計(jì)理念可以為柔性材料、柔性結(jié)構(gòu)、柔性機(jī)構(gòu)等提供廣闊的設(shè)計(jì)空間，因此能夠大大拓寬軟體機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)、變形、力學(xué)性能調(diào)控等方面的能力。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，在力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，張拉整體結(jié)構(gòu)超材料可以為更具分析性和算法性的柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋪平道路，未來(lái)還應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展以多尺度力學(xué)分析為代表的理論模型，以及結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等方法的計(jì)算仿真模型，進(jìn)而助推軟體機(jī)器人的復(fù)雜變形定制設(shè)計(jì)。在驅(qū)動(dòng)方面，智能材料可以增強(qiáng)機(jī)器人的靈活性和適應(yīng)性，未來(lái)還可以在光、熱、化學(xué)等形式上繼續(xù)探索更為廣泛的無(wú)纜驅(qū)動(dòng)方式。結(jié)合多學(xué)科交叉，張拉整體結(jié)構(gòu)超材料有望為應(yīng)用于生物工程、勘探勘測(cè)、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域的機(jī)器人發(fā)展提供更多的思路和靈感。

論文信息：Li Wen, Fei Pan, and Xilun Ding, Tensegrity Metamaterials for Soft Robotics, Science Robotics, 5, eabd9158, 2020.

論文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/5/45/eabd9158

供稿：機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院

編輯：張博洋 設(shè)計(jì)：武昊靜

編審：覃楠

出品：門(mén)戶(hù)網(wǎng)站總編總監(jiān)工作室

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