结构可编程、功能可重构软体机器人的设计与制造

主要完成人：吴志刚，张硕，丁汉

将材料、仿生、机器人领域等深度交叉，软体机器人具有全新的驱动控制策略、高度耐受性、良好的非结构化环境适应力、可全方位编程、高驱动性能等特性，拥有高自由度类生物响应行为，成为人-机-环境共融生态中的重要载体形式。

图1 可编程溶胀折纸软机器人设计与方法。（a）溶胀变形机理；（b）二维至三维变形的参数调控；（c）仿蝴蝶与仿青蛙机器人展示。

在设计方面，吴志刚团队发现表面微结构对界面润湿性的影响机理，阐明了表面形貌调控与溶胀形变的映射规律，提出了二维平面结构至三维空间形状的编程与重构设计准则（图1），并据此构造了多功能多物理场响应的折纸软机器人。

图2.自适应软机构设计与实现：（a）自适应软机构设计及逆解模型;(b)共形交互性能对比;(c)共形交互应用展示

软机器人由于自身软材料的柔顺性，使其具有一定的自适应性，但面向一些特定的变曲率场景如燃汽轮机叶片，传统软驱动机构产生的均匀响应形变难以与大变曲率目标共形贴附，从而导致应力集中、输出分配不均、贴附式感知受限等一系列问题。

针对该问题，吴志刚团队提出了基于目标轮廓特征的变刚度软驱机构的逆向设计方法（图2），建立了目标曲率和本体材料/结构参数的数学映射模型，将软驱动器与目标的共形贴附率大幅提升；解决了传统刚性机器人方案在密闭狭小空间内作业难，操作空间干涉、易损伤的难题。

图3.选择性粘附转印机理及其工艺方法

在制造方面，该团队针对三维结构和磁畴难以灵活构建的问题，如图3所示，发现了激光可以影响转印过程印章的形貌及其粘附力的现象，阐明了并验证了转印所需要的不同能量释放率与激光参数间的关系，发展了利用激光辅助调控的选择性粘附转印的新方法，解决了离散和连续的三维磁畴和结构的同时灵活组装方法，并展示了利用该方法实现全自动化并行加工多个软磁机器人，实现了软磁机器人驱动与感知一体化的集成工艺。