基于折展型可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的可編程雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心副研究員李英田課題組，與同濟(jì)大學(xué)、北京郵電大學(xué)在《IEEE - ASME機(jī)械電子學(xué)匯刊》上合作發(fā)表最新研究成果。

抓持作為動(dòng)物和機(jī)器人的基本功能，對(duì)于捕食和物體操縱具有重要意義。隨著軟性機(jī)器人技術(shù)在過(guò)去幾十年的迅猛發(fā)展，軟性?shī)A持器由于其較高的柔韌性與適應(yīng)性，在材料、尺度、驅(qū)動(dòng)方法、結(jié)構(gòu)配置等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，大多數(shù)軟性?shī)A持器在實(shí)際應(yīng)用中速度太慢，在不損害功能的前提下實(shí)現(xiàn)高速夾持仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于折展型可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的可編程雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)抓持器跨尺度地、快速地、多樣化地、選擇性地抓取。該雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器可進(jìn)行編程使其處于穩(wěn)態(tài)與臨界態(tài)之間的中間態(tài)，并且降低能量勢(shì)壘，當(dāng)外界施加的觸發(fā)力，使結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的應(yīng)變能突破能量勢(shì)壘時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)并快速躍變至另一穩(wěn)態(tài)。

與傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)不同，超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在切換穩(wěn)態(tài)時(shí)，采用了一種中間位置的拉動(dòng)策略。這種設(shè)計(jì)使得機(jī)構(gòu)可以根據(jù)中間位置的高度調(diào)節(jié)內(nèi)部能量，并通過(guò)微小的外界擾動(dòng)快速切換到下一個(gè)穩(wěn)態(tài)，靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

為了驗(yàn)證可折展型超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的能力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)重新編程為超靈敏狀態(tài)并降低最小能量壁壘時(shí)，誘發(fā)快速切換所需的觸發(fā)力可以降低到其最大值的0.005倍以下。在此過(guò)程中，僅需要0.001毫焦的最小能量，便可觸發(fā)13.1毫焦的快速能量釋放，利用該特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同重量物體的選擇性抓取。在水下環(huán)境中，超靈敏狀態(tài)的夾持器能夠在0.18秒內(nèi)對(duì)游動(dòng)的魚(yú)類的接觸做出響應(yīng)并進(jìn)行捕獲。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的可折疊型可編程雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器頗具潛力，可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如生產(chǎn)制造、醫(yī)療保健、救援任務(wù)等。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新，并提供一個(gè)更加高效和精確的抓取解決方案。

審核編輯：黃飛