【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】形狀重構(gòu)能力可賦予機(jī)器人豐富多樣的運(yùn)動(dòng)模式，極大提升機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。當(dāng)前，這類機(jī)器人主要通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)形態(tài)改變：一是采用舵機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)精確重構(gòu)；二是依靠智能材料制成、兼具變形和鎖定能力的變剛度驅(qū)動(dòng)器。對于研究人員而言，減小電機(jī)尺寸與質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜變形能力頗具挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器在小尺度(如<5cm)下，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的形狀變化與構(gòu)型鎖定，也難以達(dá)成同源且解耦的變形與鎖定控制，嚴(yán)重制約了多模式機(jī)器人向微型化與無線化發(fā)展。
 

　　近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(柔電國重)張一慧教授課題組采用材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的策略，提出了一種具有連續(xù)形狀變化和構(gòu)型鎖定能力的薄膜形電熱響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)概念。與其他具有變形及鎖定能力的驅(qū)動(dòng)器相比，該類驅(qū)動(dòng)器具有最小的尺寸以及最大的彎曲變形角度。在此基礎(chǔ)上，課題組研制了具有復(fù)雜變形模式的薄膜單胞和塊體單胞，進(jìn)而構(gòu)建起一套“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法，可用于制備具有復(fù)雜形狀重構(gòu)能力的驅(qū)動(dòng)器(如“變形金剛”等)(圖1)。
 

　　圖1.具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅(qū)動(dòng)器。(a)為驅(qū)動(dòng)器的變形和鎖定示意圖；(b)為基于“搭積木”設(shè)計(jì)策略的“變形金剛”驅(qū)動(dòng)器。(比例尺：10mm)

 

　　該驅(qū)動(dòng)器具備優(yōu)異的變形和鎖定能力以及較強(qiáng)的承載特性，可作為可重構(gòu)外骨骼，用以集成傳感器、電機(jī)等功能元器件，進(jìn)而構(gòu)建復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)(圖2)。基于此，課題組設(shè)計(jì)制備了具有復(fù)雜變形重構(gòu)能力的三維顯示器件、可在多種構(gòu)型(如“跑車”“飛車”和“貨車”)間切換的多功能微型輪式機(jī)器人，以及世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機(jī)器人(體長9cm；質(zhì)量25g；其地面運(yùn)動(dòng)速度為每秒18.2個(gè)身長)。
 

　　圖2.基于該驅(qū)動(dòng)器的可重構(gòu)系統(tǒng)。(a)為多功能微型輪式機(jī)器人；(b)為微型陸空兩棲機(jī)器人；(c)-(d)為微型陸空兩棲機(jī)器人的戶外運(yùn)動(dòng)場景展示。(比例尺：(a)10mm、(b)30mm)
 

　　4月18日，相關(guān)研究成果以“具有連續(xù)三維變形和鎖定能力的可重構(gòu)機(jī)器”(Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking)為題，在線發(fā)表于《自然·機(jī)器智能》(Nature Machine Intelligence)。
 

　　清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(柔電國重)教授張一慧為論文通訊作者，航天航空學(xué)院2020級博士生徐世威為論文第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院2021級博士生胡笑男、2024級博士生臧傳奇、2023級博士生羊佑舟、2022級博士生賴禹辰、2018級博士生鄔軍，航天航空學(xué)院博士后楊若曦、肖越、劉文博、龐文博、劉卿，柔電國重副研究員柏韌恒，以及清華大學(xué)機(jī)械工程系副教授趙慧嬋、北京航空航天大學(xué)教授文力、北京航空航天大學(xué)博士生田博丞和李磊。研究得到國家自然科學(xué)基金委、科學(xué)探索獎(jiǎng)、清華大學(xué)國強(qiáng)研究院等的資助。