中国学者通过引入智能质料，办理连续型呆板人局部刚度的主动调控题目

连续型呆板人在都会搜救、微创手术、紊乱环境巡检等特定场景下，具有显着优于传统呆板人的上风。然而，由于连续型呆板人受结构刚度的匀称性和单一性题目，在厘革的曲率相互作用场景中其活动通常受到限定。

那么，怎样实现对连续型呆板人局部刚度的调控呢？根据国表里研究，通过编程质料/结构的力学属性，有望办理因质料均一性引起的弯曲曲率单一的题目。

然而，如今对连续型呆板人局部力学属性的调控多接纳预编程情势，猛烈依靠对环境的先验信息，限定了此类呆板人在复杂、多变场景中的环境共融本领。

针对这一范围性，综合思量张拉团体结构的结构特性，中山大学/大连理工大学/南边科技大学团结团队提出了一种基于低熔点合金的变刚度复合质料，进一步办理了连续型呆板人局部刚度的调控题目，实现了对预编程刚度调控战略的升级改造。

克日，相干论文以《使用相变质料实现刚度可编程的仿生连续型呆板人》（Bio-inspired continuum robots with programmable stiffness by harnessing phase change materials）为题，发表在Advanced Materials Technologies上。

中山大学航空航天学院博士生张捷为论文的第一作者，南边科技大学呆板与能源工程系刘吉副教授、大连理工大学工程力学系彭水师教授、中山大学航空航天学院吴嘉宁副教授为论文共同通讯作者。

在该研究中，中山大学吴嘉宁副教授团队贡献了核心头脑及相应的办理方案，提出了以张拉团体结构作为连续型呆板人构型的机构框架，并依托大连理工大学彭水师教授团队的力学分析方法，证实确所提办理方案的有效性。

随后，基于低熔点合金的相变特性，该团队制作了一款热驱动的可编程智能弹性元件，为办理方案的实现提供了技能支持。在该弹性元件力学特性的分析过程中，南边科技大学刘吉副教授团队在质料范畴丰富的表征履历为本项研究提供了宝贵的发起。

在该研究中，研究团队通过将低熔点合金（熔点：47℃）注入弹性橡胶管内，提出了一种工艺浅近、造价低廉的可编程刚度弹性元件。

由于低熔点合金在室温环境下出现出固体特性，该弹性元件处于刚度极大的状态；在铜丝加热产生的焦耳热作用下，融化的低熔点合金使弹性元件显现出了弹性的特性，可以或许产生较大的拉伸变形。基于此，研究职员使连续型呆板人内部弹性元件的主动刚度调控成为大概。

为了进一步探究这种弹性元件的相干性能，研究职员分别使用红外热成像技能、拉伸试验装置表征该弹性元件的温度厘革及力学特性，并证实该弹性元件的杨氏模量可以或许在 1.79 和 271.62MPa 间切换。

基于上述的实验分析效果，充实证实确这种弹性元件可以或许实现刚度的主动编程。随后，研究职员以张拉团体结构模块为例，展示了模块在装配这种弹性元件之后的各种变形特性。

课题构成员将 12 个张拉团体结构模块串联形成一个连续型呆板人，并通过控制电流编程弹性元件的杨氏模量，实现了对连续型呆板人局部刚度的主动调控。

末了，该团队接纳型材构建了一个迷宫环境，用于评估这种基于低熔点合金的刚度主动调控方案的实际应用代价。相干实验效果表明，通过接纳电流加热弹性元件的方式，可以或许实现对局部刚度的有效调控，进而使连续型呆板人可以或许按照预期的形态与环境交互。

只管该研究已开端实现了对连续型呆板人局部刚度的主动调控，但是在刚度调控的实时性方面仍必要进一步进步。

据悉，在未来的工作中，他们将进一步通过联合先辈制造模式、智能质料合成等范畴，赋予连续型呆板人近似生物附器的精良活动/利用本领，从而使其在面临复杂的环境需求时，可以或许智能化地与环境共融交互。

参考资料：

1.Jie Zhang, Bo Wang, Haohan Chen, Jianing Bai, Zhigang Wu, Ji Liu*, Haijun Peng*, Jianing Wu* Advanced Materials Technologies（2023）. https://doi.org/10.1002/admt.202201616