近日，《科學》雜誌子刊《科學·機器人學》（Science Robotics）刊登了北京航空航天大學機械學院研究團隊題為「Tensegrity metamaterials for soft robotics」的特邀評述論文（Focus article）。論文對張拉整體結構超材料軟體機器人的最新研究進展進行了評述。機械學院文力教授為本文第一兼通訊作者，丁希侖教授與卓越百人博士後潘飛為本文的共同作者。
圖一 機械工程及自動化學院研究團隊在《科學·機器人學》雜誌發表評述文章
自從20世紀60年代巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）發明了「張拉整體結構」以來，人類已發現張力整體結構廣泛存在於細胞骨架、肌肉-骨骼系統等生物體中，並逐步將其原理應用於建築、雕塑、空間探測等工程結構與機構中。由於張拉整體結構具有剛柔並濟、高機動性、高魯棒性等優勢，在機器人領域極具應用前景。軟體機器人，作為一種模仿生物並能與人安全交互的新型機器人，是近年來機器人學、力學、材料學等多學科交叉領域的研究熱點之一。然而要想實現能媲美生物體運動靈活準確、承受外載高效、適應環境迅速等複雜特性和功能，軟體機器人在材料和結構設計方面還面臨很大挑戰。由剛、柔結構共同組成的張拉整體結構就是一個新的突破點。然而，如何實現張拉整體結構的快速製造，如何利用張拉整體結構增強軟體機器人機械性能等問題尚待解決。
針對此問題，研究團隊回顧並分析了傳統的張拉整體結構，並著重介紹了Science Robotics近期報導的一種新的張拉整體結構加工方法。該方法可以快速完成磁性軟材料和剛性杆件的一體化製造，並可用於加工具有壓扭/拉扭、力學性能可編程等特性的張拉整體結構力學超材料，應用於軟體機器人設計( https://doi.org/10.1126/scirobotics.aay9024)。基於這種超材料的軟體機器人在磁場或電機驅動下可實現翻滾、定向爬行等多種運動模式。研究團隊認為該一體化製造方法成功地將功能化軟材料網絡和孤立的剛性杆快速有效地集成在一起，為製造多尺度、多材料的可編程張拉整體結構提供了可行方法。
圖二、 張拉超材料軟體機器人
同時，研究團隊展望了張拉整體結構超材料軟體機器人的研究方向與未來前景。由於超材料設計理念可以為柔性材料、柔性結構、柔性機構等提供廣闊的設計空間，因此能夠大大拓寬軟體機器人在驅動、變形、力學性能調控等方面的能力。研究團隊認為，在力學結構設計方面，張拉整體結構超材料可以為更具分析性和算法性的柔性結構設計鋪平道路，未來還應該進一步發展以多尺度力學分析為代表的理論模型，以及結合機器學習等方法的計算仿真模型，進而助推軟體機器人的複雜變形定製設計。在驅動方面，智能材料可以增強機器人的靈活性和適應性，未來還可以在光、熱、化學等形式上繼續探索更為廣泛的無纜驅動方式。結合多學科交叉，張拉整體結構超材料有望為應用於生物工程、勘探勘測、醫療服務等領域的機器人發展提供更多的思路和靈感。
來源：北京航空航天大學
論文連結：
https://robotics.sciencemag.org/content/5/45/eabd9158