北航杨继萍/王志坚团队、安建大李凯AM：自驱动多模态异质张拉整体结构

软体机器人近年来得到了快速发展，相较于传统硬体机器人，其具有高灵活性和可变形特性，但因承载能力差，限制了实际应用。自然界中，大多数陆地动物都会发育出肌肉骨骼系统，坚硬的骨骼和可拉伸肌肉可实现优异的灵活性和适应性，同时保持高承载能力。类似动物肌肉骨骼系统，张拉整体结构由受压硬杆和受拉弹性绳索组成，具有轻质高强、变形能力强、承载能力高、可折叠压缩和抗冲击性能优异等特点。各类张拉整体结构中，经典的六杆型张拉整体结构由6根硬杆和24根绳索组成，具有球形二十面体几何形状。张拉整体结构的滚动可通过收缩单根或多根绳索改变形状和重心来实现，但因结构复杂性和高度非线性，开发控制算法具有很大挑战性。加州大学圣地亚哥分校蔡盛强教授课题组在2019年设计了一个单根绳索收缩驱动的轻型张拉整体机器人（ Adv. Mater.2019, 31, 1806849），其中绳索由液晶弹性体-碳纳米管复合材料组成，可发生大的可逆光致变形，以实现张拉整体机器人的光驱动运动，其滚动路径可以通过光照射完全精确地控制，显示出了在软机器人领域的巨大潜力。然而，该机器人的运动需要手动控制的光照射，限制了潜在的实际应用。

在自然界中，生物系统可以从环境中获取能量，并响应外部刺激而变形。例如，向日葵具有向阳性，捕蝇草可以实现对猎物的快速捕捉。受大自然的启发，许多智能材料和结构具有物理智能，能够对环境刺激做出响应。在本工作中，北京航空航天大学杨继萍/王志坚教授团队联合安徽建筑大学李凯教授报道了一种集成热响应主动液晶弹性体绳索、非热响应被动绳索和硬杆的异质张拉整体结构，能够从外部环境中连续汲取能量，实现多模态自驱动运动。该工作以题为“A Multimodal Self-Propelling Tensegrity Structure”的文章发表于Advanced Materials上，并入选“Editors’ Choice”专辑。北航材料学院博士研究生刘长岳为文章第一作者，安建大李凯教授、北航杨继萍教授和王志坚教授为论文共同通讯作者，北航、安建大、浙江省天目山实验室为共同通讯单位。

1.自驱动异质张拉整体结构的设计和构建

作者使用了两类弹性绳索来构建异质张拉整体结构（HTS）：一种是受热收缩的热响应液晶弹性体（LCE）绳索，而另一种为受热不变形的被动材料绳索。预拉伸的LCE绳索和被动绳索的预应力均被调整为0.075 MPa，模量均设置为0.55 MPa，以保持张拉整体结构的对称性。作者测试了预拉伸的LCE绳索在外部应力为0.075 MPa时，在热表面上能够产生高达45.1%的收缩率。此外，作者进一步测量了不同温度下LCE绳索和被动绳索的拉伸强度，尽管强度随着加热温度的升高而降低，但在25 ~ 150 °C的温度范围内，两种绳索的强度仍远大于预应力。

2.异质张拉整体结构的临界滚动和连续滚动条件

六杆型张拉整体结构具有二十面体几何形状，包括8个等边三角形和12个等腰三角形，每个等边三角形有3根绳索，而每个等腰三角形包含2根绳索。将等边三角形作为底面放置，当其中的单根绳索收缩率达到35.9%时，张拉整体结构能够实现滚动，从等边三角形作为底面的状态过渡到相邻等边三角形作为底面的另一种状态。作者首先以包含一根LCE绳索的HTS-1为例，研究了临界滚动条件。将包含唯一一根LCE绳索的底部三角形放置在热表面上来测量LCE绳索的收缩率，当热表面温度达到110 °C时，LCE绳索的最大收缩率约为35.9%，满足滚动的临界要求。随着热表面温度的升高，LCE绳索的最大收缩率和收缩速率均逐渐增加。之后，作者以包含两根LCE绳索（分布在两个相邻的等边三角形中）的HTS-2为例研究了连续滚动条件。通过理论模拟分析和实验验证，作者证明了在110 ℃ ~ 130 ℃的范围内，HTS能够在底部为等边三角形的状态之间连续切换，从而能够实现连续自驱动。

图1. 异质张拉整体结构的设计和构建

3.异质张拉整体结构的滚动模态

六杆型张拉整体结构中每个等边三角形都有三个相邻的等边三角形面，相对于三角形的每一条边有三个可能的滚动方向。作者首先列出了8个等边三角形之间的位置关系，然后使用穷举法根据不同的滚动方向探索了可能的滚动路径。研究发现，所有的HTS都会以5种重复路径结束。作者进一步构建了不同构型的HTS，通过调整LCE绳索的数量和位置，实验验证了HTS具有5种不同类型的循环滚动模态。

图2. 异质张拉整体结构的滚动模态

5种滚动模态

4.滚动模态的转换

HTS在不同滚动模态下所需的LCE绳索数量各不相同，几种滚动模态也可以在单个HTS中共存。因此，HTS还可以在外部扰动下触发不同滚动模态之间的转换。研究表明，可能的模态转换为I-I、I-II、I-III、II-II。

图3. 滚动模态的转换

5.模块化异质张拉整体结构

最后，作者进一步证明了异质张拉整体结构可以通过使用魔术贴（Velcro）胶带以类似乐高积木的方式简单地构建和重新组装成不同的构型，模块化的异质张拉整体结构将有利于软机器人和行星探测等领域的应用。

图4. 模块化异质张拉整体结构的构建和重新组装

小结：作者通过集成热响应液晶弹性体绳索、非热响应被动绳索和硬杆，构建了异质张拉整体结构。这一结构能够从外部环境中连续汲取能量并进行自驱动。通过调整液晶弹性体绳索的数量和位置，异质张拉整体结构能够响应热刺激自主地在不同的运动模态下滚动。此外，异质张拉整体结构还可以在外部扰动下触发不同自驱动模态之间的转换。最后，进一步证明了异质张拉整体结构可以通过使用魔术贴胶带以类似乐高的方式简单地构建和重新组装。本项研究介绍的异质张拉整体结构展示了一种新策略，并为构建自驱动和模块化软体机器人提供了巨大的设计空间。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202314093

来源：高分子科学前沿

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