《Drones》：A Visco-Hyperelastic Lattice-Based Arm Structure to Improve UAV Collision Resilience
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传统无人机在高速碰撞中常遭受严重结构损伤。近年来的研究探索了传感、控制与设计策略以增强碰撞韧性。本工作提出了一种全被动式软连续体点阵机臂，将粘超弹性（visco-hyperelastic）材料与非线性点阵几何相结合，以触发梁的受控屈曲并吸收冲击能量。研究人员从
传统无人机在高速碰撞中常遭受严重结构损伤。近年来的研究探索了传感、控制与设计策略以增强碰撞韧性。本工作提出了一种全被动式软连续体点阵机臂，将粘超弹性（visco-hyperelastic）材料与非线性点阵几何相结合，以触发梁的受控屈曲并吸收冲击能量。研究人员从材料准静态与动态拉伸试验中识别粘超弹性参数，并将其应用于有限元模型，以优化点阵孔隙率与分布，从而在准静态和动态加载条件下实现力衰减。对优化梁构型的仿真进行实验验证，结果显示出一致性良好：准静态加载下平均绝对误差（MAE）为6.7%，均方根误差（RMSE）为7%；动态加载下MAE为12.1%，RMSE为14%。在四旋翼原型机上进行的受控跌落试验表明，与实体材料设计相比，该设计具有更优的冲击能量吸收与力衰减能力（比吸能最高提升99%，峰值冲击力最高降低65%）。此外，点阵无人机经主动飞行后跌落至地面，仍保持低推力损失（0.42 ± 0.26%）及冲击后的结构完整性。
研究背景与问题：无人机（UAV）在树林、矿区、密集城区等非结构化动态环境中飞行时，存在与周围障碍物发生严重碰撞的风险，可能导致机身、螺旋桨或障碍物自身受损。现有策略主要分为碰撞规避与冲击韧性设计两类。早期刚性球形护笼、折纸/剪纸结构、张拉整体结构等虽提高了安全性，但使机体体积增大，不利于狭小空间飞行；基于柔性关节或整体框架变形的方案主要利用集中柔顺性或全局变形。已有聚合物微点阵研究多用作附加缓冲垫，尚未将宏观点阵作为承载机臂直接集成到无人机结构中。为此，研究人员提出一种全被动软连续体点阵机臂，将粘超弹性材料与非线性格点几何结合，通过受控屈曲吸收冲击能量，从而将碰撞韧性直接嵌入无人机结构。
研究内容与主要结论：研究人员以Formlabs Flexible Resin 80A（FR-80A）为结构材料，通过准静态和动态拉伸试验识别粘超弹性本构参数，并将其用于COMSOL有限元模型，优化点阵孔隙率与分布。实验验证了优化梁构型在准静态与动态弯曲下的力–位移响应。四旋翼原型机跌落试验表明，点阵无人机与实体材料无人机相比，峰值冲击力最高降低65%，比吸能（SEA）最高提高99%，且经过15次冲击事件后仍保持结构完整；飞行跌落试验中推力损失仅为0.42 ± 0.26%，表明该被动点阵方案可在不显著影响飞行能力的前提下提升抗撞性。
关键技术方法：研究采用基于材料力学测试的设计仿真验证方法。材料为FR-80A，通过DMA RSA-G2试验机开展准静态拉伸与动态频率扫描测试，采用序贯二次规划（SQP）拟合粘超弹性参数。有限元仿真在COMSOL 6.4中进行，对SDTL点阵构型的孔边长和轴向点阵分布进行参数化扫描，求解准静态与动态弯曲响应。采用FormLab Form 4打印机完成点阵梁制造，用Mark-10试验机进行准静态/动态弯曲验证。系统级验证包括四旋翼原型机的自由落体冲击试验和飞行跌落试验，使用VICON运动捕捉系统、KISTLER测力板和BASLER高速相机记录冲击过程。
主要结果：
3.1 粘-超弹性材料表征：准静态拉伸曲线最佳拟合为Mooney–Rivlin超弹性模型；动态频率扫描拟合出二阶标准线性固体（SLS）Maxwell模型，为后续点阵梁仿真提供材料常数。
3.2 准静态仿真结果：增大点阵分布会降低弯曲刚度并提升SEA；全点阵构型的SEA较50%和25%点阵构型分别提高约28%和42%，同时峰值弯曲力最低。增大孔边长使刚度下降约20%、SEA线性下降约10%，但屈曲力平台提前出现。全点阵构型在质量受限平台中综合最优。
3.3 动态仿真结果：
3.3.1 位移斜坡响应：非屈曲构型在加载速度从0.5 m/s增至3 m/s时峰值力增加约20%，而屈曲构型仅增加约6%，表明屈曲使峰值力近似与加载速度无关。
3.3.2 力矩形脉冲响应：全点阵、50%点阵和25%点阵构型的特征松弛时间分别为0.6 s、0.25 s和0.16 s，说明点阵分布直接影响机臂的整体阻尼特性。
3.4 点阵制造：基于仿真选择最优构型，使用FormLab Form 4打印机制造点阵机臂。
3.5 准静态验证：Mark-10试验机重复试验与COMSOL仿真结果吻合，屈曲起始位移约为35 mm，平均绝对误差（MAE）为6.7%，均方根误差（RMSE）为7%。
3.6 动态验证：动态弯曲实验中力松弛曲线与仿真趋势一致，峰值力约为7.5 N，与仿真值7.2 N接近；MAE约12.1%，RMSE约14%，误差主要来自率相关粘弹性效应。
3.7 冲击试验结果：
3.7.1 跌落基准对比：从1.10 m、1.50 m和2.00 m高度跌落时，点阵无人机相对实体无人机峰值冲击力分别降低53%、65%和62%，SEA分别提高99%、98%和85%。实体无人机在2 m跌落后发生结构损伤，无法继续飞行。
3.7.2 飞行跌落试验：6次飞行跌落中，全局推力损失为0.42 ± 0.26%；冲击响应与接触部位明显相关，机臂先触地时冲击时间更长、峰值力更低，而刚性中心先触地时出现短时高幅单峰，这为未来应急着陆控制策略提供了依据。
讨论总结与结论翻译：讨论部分指出，碰撞韧性可直接嵌入无人机结构：点阵不仅是减重结构，还通过受控屈曲产生力–位移平台、提高SEA并限制动态峰值力；FR-80A的粘超弹性提供了额外的率相关阻尼。全点阵构型优于局部集中柔顺构型，证明点阵孔隙率与分布可作为调节刚度、屈曲起始和能量吸收的设计参数。研究同时指出材料、点阵拓扑和冲击方向有限，制造公差对性能敏感，需进一步开展质量匹配对照、环境老化和可扩展性研究。结论为本工作提出了一种基于粘超弹性点阵机臂的软连续体无人机抗撞设计策略：通过材料阻尼与点阵诱导屈曲相结合，提高能量吸收、降低峰值冲击力，并在动态加载下保持近似速度无关的峰值力。优化构型经实验验证，四旋翼原型机跌落测试显示其力衰减和比吸能均优于实体基准机，同时保持低飞行推力损失；冲击严重程度与接触区域相关，可为更安全的应急着陆控制提供依据。总体而言，软质点阵连续机臂提供了一种有效的被动方案，用于提升无人机在杂乱环境中的耐撞性。未来工作将关注悬停稳定性与机动性、点阵臂内集成软感知，以及跌落姿态和应急着陆的实时主动控制策略。
