近日，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫學(xué)與健康工程研究所微創(chuàng )中心李英田副研究員課題組，與北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、新加坡國立大學(xué)和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，在Cell子刊Cell Reports Physical Science上合作發(fā)表了題為“Ultra-tunable bistable structures for universal robotic applications”的文章。深圳先進(jìn)院蔣永康博士后為第一作者，李英田副研究員為唯一通訊作者，深圳先進(jìn)院為本文的第一單位與通訊單位。 

文章上線(xiàn)截圖

原文鏈接

　　雙穩態(tài)結構具有快速響應和力放大能力。利用穩態(tài)特性和不穩定性來(lái)快速釋放雙穩態(tài)結構中存儲的能量可以提升機器人的諸多性能，例如高速運動(dòng)、自適應傳感和快速抓取等。然而，目前關(guān)于雙穩態(tài)結構的研究主要集中在它們的穩定狀態(tài)，卻缺少對于他們中間狀態(tài)的研究。 

　　為此，研究團隊提出了一種能量壁壘可編程和觸發(fā)力跨數量級可變的超可調雙穩態(tài)結構，并可以根據不同應用場(chǎng)景而進(jìn)行幾何構型、尺寸、材料和驅動(dòng)方法的定制化設計。該雙穩態(tài)結構通過(guò)將片狀材料折疊成為特定的折痕圖案，具有一個(gè)穩定狀態(tài)、一個(gè)亞穩定狀態(tài)和數量諸多的中間狀態(tài)。當雙穩態(tài)結構從亞穩態(tài)轉變?yōu)榉€態(tài)時(shí)，存在一個(gè)臨界點(diǎn)，此時(shí)存儲的應變能達到最大值，同時(shí)結構會(huì )發(fā)生失穩，快速躍變至穩態(tài)。而這項工作，主要研究的是在雙穩態(tài)結構達到其臨界點(diǎn)之前的能量壁壘可編程的諸多中間狀態(tài)。 

　　為了證明所提出結構的可調性，研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗，實(shí)現了單體雙穩態(tài)結構的觸發(fā)力可調整為最大值的 0.1%，同時(shí)，使用不同設計參數制成的機械抓手能夾持的重量差別可達10⁷倍。此外，為了驗證該結構在機器人應用上的潛力，研究團隊開(kāi)發(fā)了不同的原型樣機，包括機械捕蠅草、機器抓手，彈跳和游泳機器人、溫敏開(kāi)關(guān)和分揀系統等。通過(guò)對于原型樣機的測試，團隊發(fā)現：具有超靈敏“花蕊”的機器人捕蠅器可以在 10 ms內完成蜜蜂的捕捉、雙穩態(tài)抓手可以牢牢抓住到高速射來(lái)的乒乓球（10m/s）、彈跳機器人的跳躍高度可達機器人身高的24倍以上，等等。 

　　該工作所展示的雙穩態(tài)結構具有優(yōu)越的可調特性與廣泛的應用潛力，可以拓展雙穩態(tài)結構設計的前沿，并為機器人、生物醫學(xué)工程、建筑和動(dòng)態(tài)藝術(shù)等領(lǐng)域的未來(lái)設計開(kāi)辟新的道路。

超可調雙穩態(tài)結構的示意圖