近日，中科院深圳先進技術研究院生物醫(yī)學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、北京航空航天大學、新加坡國立大學和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院，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，深圳先進院為本文的第一單位與通訊單位。
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雙穩(wěn)態(tài)結構具有快速響應和力放大能力。利用穩(wěn)態(tài)特性和不穩(wěn)定性來快速釋放雙穩(wěn)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、自適應傳感和快速抓取等。然而，目前關于雙穩(wěn)態(tài)結構的研究主要集中在它們的穩(wěn)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(shù)量級可變的超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結構，并可以根據(jù)不同應用場景而進行幾何構型、尺寸、材料和驅動方法的定制化設計。該雙穩(wěn)態(tài)結構通過將片狀材料折疊成為特定的折痕圖案，具有一個穩(wěn)定狀態(tài)、一個亞穩(wěn)定狀態(tài)和數(shù)量諸多的中間狀態(tài)。當雙穩(wěn)態(tài)結構從亞穩(wěn)態(tài)轉變?yōu)榉€(wěn)態(tài)時，存在一個臨界點，此時存儲的應變能達到最大值，同時結構會發(fā)生失穩(wěn)，快速躍變至穩(wěn)態(tài)。而這項工作，主要研究的是在雙穩(wěn)態(tài)結構達到其臨界點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(diào)性，研究人員進行了一系列實驗，實現(xiàn)了單體雙穩(wěn)態(tài)結構的觸發(fā)力可調(diào)整為最大值的 0.1%，同時，使用不同設計參數(shù)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、溫敏開關和分揀系統(tǒng)等。通過對于原型樣機的測試，團隊發(fā)現(xiàn)：具有超靈敏“花蕊”的機器人捕蠅器可以在 10 ms內(nèi)完成蜜蜂的捕捉、雙穩(wěn)態(tài)抓手可以牢牢抓住到高速射來的乒乓球（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(wěn)態(tài)結構具有優(yōu)越的可調(diào)特性與廣泛的應用潛力，可以拓展雙穩(wěn)態(tài)結構設計的前沿，并為機器人、生物醫(yī)學工程、建筑和動態(tài)藝術等領域的未來設計開辟新的道路。
超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結構的示意圖
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