可展开曲面多稳态薄壳超结构用于多响应可重构元机器人

《SCIENCE ADVANCES》：Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots

本研究针对传统多稳态结构构型有限且驱动控制复杂的问题，报道了一类基于可展开曲面的多稳态薄壳超结构。通过切割和粘合预编程弹性应变能，单个结构单元可实现高达20种稳定构型，四单元组装更可呈现256种重构状态。该设计通过引入“动态虚拟折痕”概念阐释其高效形变机制，并成功与磁响应、电活性软驱动器集成，构建出具有自适应抓取、多步态跳跃和爬行功能的软体元机器人，为开发高效能、可重构软体机器人平台开辟了新途径。

　　

在柔性机械超材料、可重构软体机器人和自适应医疗设备等领域，能够响应外部刺激而改变自身形状的智能物质展现出巨大的应用潜力。实现形状变换主要有两种策略：基于刚性旋转的机械机制（如模块化折纸和刚性连杆机构）和基于软质或柔性结构弹性变形的方法。后者允许近乎无限的连续变形自由度，能实现弯曲、拉伸、扭转等丰富变形模式，并利用软活性材料实现自适应形变。在众多可重构柔性结构中，双稳态和多稳态系统（如捕蝇草和Kresling折纸结构）因其能在多个稳定状态间快速可逆切换而备受关注。它们利用存储的弹性应变能，无需持续外力或驱动输入即可在多个稳定构型间变形并锁定。然而，尽管双稳态结构在快速、节能的操纵和 locomotion 方面已有广泛应用，但其构型数量有限（通常η = 2）。相比之下，多稳态（稳定构型多于两个）为实现多功能性和多样化的操纵或运动模式提供了可能，但同时也面临驱动控制复杂、形变效率（η = N/n，即构型数N与单元数n之比）提升困难的挑战。现有提升η的策略，如增加单个单元的稳定构型数或串联多个多稳态单元，均存在明显局限性：前者构型数提升有限，后者虽能指数级增加构型，但导致结构、制造和控制的复杂性急剧增加。因此，如何在单个多稳态单元内最大化稳定构型数量，从而在提高形变效率的同时简化驱动与控制，成为该领域亟待解决的关键问题。

针对上述挑战，研究人员在《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表论文，报道了一类具有高形变效率的多稳态可展开薄壳超结构，并将其成功应用于多响应可重构元机器人（metabots）的开发。研究团队主要运用了有限元分析（FEA）进行结构力学仿真与能量景观计算，结合离散可展开曲面理论来重构壳体的可展表面并分析其变形机制。通过激光切割和粘接技术制备了基于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄片的实验样品，并利用单轴拉伸试验进行力学表征。为了构建软体机器人，研究人员集成了磁响应弹性体（由Ecoflex 00-50与钕铁硼（NdFeB）磁粉复合制成）和压电聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜作为驱动器，通过外部磁场（由电磁铁或永磁体产生）和交流电压信号分别实现远程磁驱动和电致动，从而驱动多稳态结构发生形状变换并实现多种运动模式。

多稳态壳超结构具有高形变效率

研究从带有H形切口的方形PET薄片出发，通过粘合切口内边缘（间距为d）自发形成对称的三维弯曲壳结构，其中预存了弹性应变能U。随着粘合距离d从5毫米增加到50毫米，单个结构单元的稳定状态数N从4个急剧增加到20个，预存弹性应变能U也从0.41毫焦耳增加到6.54毫焦耳。该多稳态壳结构实现了高达η = 20的形变效率，远超已有的多稳态单元（如五稳态四顶点折纸单元，η = 5）。当将这些二维图案化的单元连接成网络（如四单元结构）时，尽管存在边界约束，仍能产生超过256种稳定配置，形变效率η ≥ 64。

形状变换

以d = 30毫米的单元为例，其具有16种对称的稳定构型。形状变换路径通过实验和FEA模拟进行分析。通过简单提升或按压四个关键触发区域（两端弧顶和中间连接带附近区域），可以诱导结构在不同稳定构型间快速切换（snapping）。能量景观分析显示，变换路径的应变能-位移曲线均呈现一个峰值（不稳定状态）和两个局部极小值（稳定状态），证实了多稳态特性。能量壁垒ΔU_ij在不同构型间转换时差异显著，例如从低能量构型①转换需要克服较高能量壁垒，而构型⑥→①的壁垒则低40倍以上。当d减小至20毫米时，预存能量降低，高能稳定状态消失，稳定状态数减少至6个，表明增加预存能量是激活更多稳定状态的关键。

动态虚拟折痕的折叠

为理解形变机制，研究提出了“动态虚拟折痕”的概念。由于壳结构厚度跨度比极小（1.27 × 10^-3），弯曲是主要变形模式，变形后的壳可近似为高斯曲率为零的可展开曲面。通过FEA模拟和离散可展开曲面理论，重构了每个构型的可展表面，并识别出具有局部最大弯曲能的“虚拟折痕”。这些折痕分为三类：I型（黄色，位于弧边水平）、II型（绿色，位于四角倾斜）和III型（紫色，位于中央区域倾斜）。通过折叠这些动态变化的虚拟折痕，可以驱动结构在不同稳定构型间转换，系统地解释了观察到的所有形状变换路径。

多稳态单元网络

该方形单元结构易于构建一维阵列和二维网络，从而通过组合设计获得更丰富的可重构性。在一维配置中，相邻单元间存在三种键合取向（对齐、平行、垂直），分别可产生16、18和22种稳定构型。扩展到二维四单元方形网络时，考虑对称性有四种不同的键合排列方式，弯曲带数量n为6或8，可能构型数分别为2⁶ = 64和2⁸ = 256种。

应用：用于操纵和自适应多模式运动的多功能可重构元机器人

该多稳态壳结构的特性（快速snapping形变、无持续驱动锁定、多功能形变能力）使其成为多功能平台，可转变为用于操纵和自适应运动的元机器人。其薄壳柔性结构便于与薄膜软驱动器（如磁弹性体和压电聚合物）集成，实现远程和系绳驱动下的形变与运动。

非侵入性双稳态抓取器

利用单元结构从构型①到⑥的可逆形状转变，研究人员演示了一种通用、节能、非侵入性的双稳态抓取器。通过拉动或推动中央滑块，抓取器可在开放（①）和闭合（⑥）两种稳定状态间快速切换，闭合状态下无需外力即可牢固抓持物体，最大抓持重量约为20.8克，负载重量比达28.5。释放物体仅需对滑块施加微小向下的推力，因为释放的能量壁垒远低于抓取过程。该抓取器能够非侵入性地抓取各种形状和重量的物体，包括易碎的豆腐、球体、锥形帽、不规则夹子、重玻璃瓶以及沙粒等颗粒材料。其包裹式抓取方式不同于传统的夹持式抓取器，且双稳态设计无需持续拉力即可维持抓握。

自适应磁多步态跳跃者和爬行者

通过在单元结构的关键触发区域附着五条磁弹性带，并施加远程旋转磁场，研究人员实现了在多达12种稳定构型间的形状变换。基于此，开发了具有多步态运动能力的元机器人，包括向左（步态1）和向右（步态2）的跳跃，以及两种爬行模式（步态3和步态4）。跳跃高度和速度因存储的弹性应变能不同而异（例如步态2跳跃高度h₂ = 87毫米，速度2.18 BL/s）。该机器人能够通过形状变换适应复杂地形和狭窄空间，例如从平滑表面到波纹表面的穿越，以及在低矮通道（高度20毫米）内的导航，展示了其高度的环境适应性。

双响应可重构机动爬行者

为了解决单元结构机器人转向能力不足的问题，研究人员设计了一种由磁场和电刺激共同驱动的双响应机动爬行者。该爬行者由两个单元串联构成的多稳态超结构组成，集成了PVDF压电薄膜（作为振动驱动器）和三个磁带（用于体形变换）。通过磁驱动改变体形，影响四只脚与地面的接触状态，从而在交流电压驱动下实现前进、后退和旋转等多种运动模式。在四种不同的体形状态（[00], [01], [10], [11]）下，机器人表现出不同的运动特性，例如在[00]状态下主要发生旋转运动，且旋转方向和角速度随驱动频率变化。研究人员进一步演示了该机器人在平面T形受限空间内的机动导航能力，通过磁致形变和压电驱动的协同控制，成功完成了旋转对齐、前进、后退、转向等一系列动作，最终驶出通道。

本研究成功开发了一类基于可展开曲面的多稳态薄壳超结构，其通过编程预存弹性应变能实现了高形变效率。利用“动态虚拟折痕”概念深刻阐释了其形变机理，低能量壁垒的特性使其易于与多种薄膜软驱动器集成。通过将快速、多样的形状变换与多响应驱动相结合，这些超结构转变成了多功能、高能效、可重构的软体元机器人，在通用非侵入性操纵以及复杂非结构化环境中的高机动性多模式运动方面展现出巨大潜力。尽管在完全利用丰富形变实现高度自适应运动、优化驱动模式以访问全部构型空间以及打破对称性以获得更多功能各异的非对称形状等方面仍存在挑战，但这项研究为开发能量效率高、适应性强的可重构软机器人平台奠定了坚实基础，并有望在柔性超材料和自适应系统等领域产生深远影响。