近日，機(jī)械與動力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)與同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院李汶柏研究員合作研究，在Science Advances上發(fā)表文章“Encoded sewing soft textile robots”，首次提出了一種基于“編碼縫制約束力學(xué)”的氣動織物軟機(jī)器設(shè)計(jì)和制造的新方法，解決了可編程氣動軟體機(jī)器人在高效定制化開發(fā)過程中長期存在的挑戰(zhàn)，通過簡單高效的二維平面縫制工藝，實(shí)現(xiàn)了氣動織物軟機(jī)器的復(fù)雜時(shí)空編碼和物理智能，為加速氣動織物軟機(jī)器服務(wù)于安全人機(jī)交互、定制化穿戴和醫(yī)療康復(fù)設(shè)備的原型開發(fā)和產(chǎn)品迭代提供了有效途徑。機(jī)械與動力工程學(xué)院博士生郭欣宇、同濟(jì)大學(xué)李汶柏研究員為論文共同第一作者，李汶柏、張文明教授為共同通訊作者。
“編碼縫制約束力學(xué)”設(shè)計(jì)概念與制造方法
高度可編程、可定制和制造便捷的智能織物軟機(jī)器
早在石器時(shí)代，人類就已經(jīng)能夠使用骨針將植物纖維縫制成衣服。隨著科技的進(jìn)步，織物展現(xiàn)出可定制化、智能化和集成化的發(fā)展趨勢，將氣動驅(qū)動器和織物結(jié)合制成氣動織物軟機(jī)器，也成為主動織物和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向。然而，具有可編程復(fù)雜三維形狀變形和運(yùn)動功能的氣動織物軟機(jī)器的高效定制化設(shè)計(jì)和制造一直都充滿挑戰(zhàn)。已有的氣動織物軟體機(jī)器人的制造工藝或需新材料開發(fā)和織物拼接，或需昂貴的專用設(shè)備。另外，缺少服務(wù)于定制化研發(fā)的高效系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建模預(yù)測方法，也是制約氣動織物軟機(jī)器邁向多功能定制化產(chǎn)品的重要因素。
編碼縫制約束力學(xué)原理賦能復(fù)雜空間變形和順序操作
為了解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)揭示了縫紉對織物的應(yīng)變約束規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上提出了“編碼縫制約束”的力學(xué)新機(jī)制，分別將能夠?qū)︶樋椏椢锢煨赃M(jìn)行強(qiáng)約束的直線型縫邊和調(diào)節(jié)的之字形縫邊編碼為二進(jìn)制的“0”和“1”。研究團(tuán)隊(duì)通過嵌入不同拉伸信息的編碼縫邊，為氣動織物軟機(jī)器有效構(gòu)建了各向異性力學(xué)織物約束殼，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)約束設(shè)計(jì)和制造成型的一體化，進(jìn)一步發(fā)展了三邊編碼縫邊全局約束新方法。該方法可以極大降低氣動織物軟機(jī)器的復(fù)雜三維變形設(shè)計(jì)和理論預(yù)測難度，并提升定制化開發(fā)的效率。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)縫邊之間的間距會改變變形的時(shí)序，并通過建立的氣囊非線性膨脹和各向異性織物應(yīng)變約束的耦合力學(xué)模型，準(zhǔn)確預(yù)測了時(shí)序變形規(guī)律。
定制化多功能織物軟機(jī)器
研究團(tuán)隊(duì)基于“編碼縫制約束力學(xué)”，通過便捷的傳統(tǒng)縫紉技術(shù)和市售的廉價(jià)織物面料和乳膠氣球，設(shè)計(jì)制造出能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜空間變形以及可控時(shí)序變形的多種多功能定制化氣動織物軟機(jī)器，如復(fù)現(xiàn)黃瓜藤復(fù)雜三維卷曲變形的仿生藤蔓，匹配拇指不同關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律的定制化康復(fù)指套和適配不同體型的脊柱矯正器，完成纏繞抓取水杯并倒水復(fù)雜操作的仿生章魚觸手，以及實(shí)現(xiàn)連續(xù)翻滾、雙向爬行和爬管運(yùn)動的仿生軟體機(jī)器人。僅需單一氣源驅(qū)動的氣動織物軟機(jī)器極大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，該方法有望和制衣行業(yè)結(jié)合，利用數(shù)字化縫紉機(jī)或刺繡機(jī)，實(shí)現(xiàn)織物軟機(jī)器的低成本、定制化批量生產(chǎn)制造。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金，上海市“科技創(chuàng)新行動計(jì)劃”和同濟(jì)大學(xué)中央高校基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3855
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