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2020年

机械工程及自动化学院研究团队在《科学·机器人学》杂志发表评述文章

8月26日,《科学》杂志子刊《科学·机器人学》(Science Robotics)刊登了gd真人平台机械学院研究团队题为“Tensegrity metamaterials for soft robotics”的特邀评述论文(Focus article)。论文对张拉整体结构超材料软体机器人的最新研究进展进行了评述。机械学院文力教授为本文第一兼通讯作者,丁希仑教授与卓越百人博士后潘飞为本文的共同作者。

图一 机械工程及自动化学院研究团队在《科学·机器人学》杂志发表评述文章

图二、 张拉超材料软体机器人

自从20世纪60年代巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)发明了“张拉整体结构”以来,人类已发现张力整体结构广泛存在于细胞骨架、肌肉-骨骼系统等生物体中,并逐步将其原理应用于建筑、雕塑、空间探测等工程结构与机构中。由于张拉整体结构具有刚柔并济、高机动性、高鲁棒性等优势,在机器人领域极具应用前景。软体机器人,作为一种模仿生物并能与人安全交互的新型机器人,是近年来机器人学、力学、材料学等多学科交叉领域的研究热点之一。然而要想实现能媲美生物体运动灵活准确、承受外载高效、适应环境迅速等复杂特性和功能,软体机器人在材料和结构设计方面还面临很大挑战。由刚、柔结构共同组成的张拉整体结构就是一个新的突破点。然而,如何实现张拉整体结构的快速制造,如何利用张拉整体结构增强软体机器人机械性能等问题尚待解决。

针对此问题,研究团队回顾并分析了传统的张拉整体结构,并着重介绍了Science Robotics近期报道的一种新的张拉整体结构加工方法。该方法可以快速完成磁性软材料和刚性杆件的一体化制造,并可用于加工具有压扭/拉扭、力学性能可编程等特性的张拉整体结构力学超材料,应用于软体机器人设计 ( https://doi.org/10.1126/scirobotics.aay9024)。基于这种超材料的软体机器人在磁场或电机驱动下可实现翻滚、定向爬行等多种运动模式。研究团队认为该一体化制造方法成功地将功能化软材料网络和孤立的刚性杆快速有效地集成在一起,为制造多尺度、多材料的可编程张拉整体结构提供了可行方法。

同时,研究团队展望了张拉整体结构超材料软体机器人的研究方向与未来前景。由于超材料设计理念可以为柔性材料、柔性结构、柔性机构等提供广阔的设计空间,因此能够大大拓宽软体机器人在驱动、变形、力学性能调控等方面的能力。研究团队认为,在力学结构设计方面,张拉整体结构超材料可以为更具分析性和算法性的柔性结构设计铺平道路,未来还应该进一步发展以多尺度力学分析为代表的理论模型,以及结合机器学习等方法的计算仿真模型,进而助推软体机器人的复杂变形定制设计。在驱动方面,智能材料可以增强机器人的灵活性和适应性,未来还可以在光、热、化学等形式上继续探索更为广泛的无缆驱动方式。结合多学科交叉,张拉整体结构超材料有望为应用于生物工程、勘探勘测、医疗服务等领域的机器人发展提供更多的思路和灵感。


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

论文链接:https://robotics.sciencemag.org/content/5/45/eabd9158


供稿:机械工程及自动化学院

编辑:张博洋 设计:武昊静

编审:覃楠

出品:门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn


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