发表年：2025 年

杂志：Science Advances

中文标题：用于多响应可重构变形机器人（metabots）的多稳态薄壳超结构

原英文标题：Multistable thin-shell metastructures for multiresponsive reconfigurable metabots

原文链接 DOI：10.1126/sciadv.adx4359

摘要

多稳态超结构能够在无需锁定力的情况下在多种稳定构型之间切换，但其在构建可适应不断变化环境的可重构机器人（即变形机器人，metabots）方面的潜力尚未得到充分开发。本文报道了利用基于可展曲面的高可重构性多稳态薄壳超结构，实现自适应操控与运动功能。这些多稳态超结构通过对带有图案化切口的薄聚合物片进行切割和粘接构建而成，能够实现可编程的预存储弹性能。单个单元可实现多达 20 种稳定构型，而由 4 个单元组成的组装体通过动态虚拟折痕的简单折叠，可产生 256 种重构状态。当与基于薄片的多响应软致动器集成时，这些超结构成为具有高适应性的变形机器人，包括通用型无创双稳态软抓手、磁性多步态跳跃机器人以及由磁致动和电活性致动驱动的双响应爬行机器人。这些系统展现出高适应性和机动性，能够通过按需形状变换在复杂地形和受限环境中导航，为高能效、可重构软机器人平台的发展奠定了基础。

研究背景

形状可变换材料能够响应外部刺激改变自身形状或结构，从而对不断变化的环境展现出高适应性，在柔性机械超材料、可重构软机器人、自适应医疗设备以及太空探索等领域具有广泛应用前景。目前，实现形状变换主要有两种策略：一种是基于刚性旋转的机械机制，如模块化折纸结构以及由空间连接的刚性杆和连杆组成的组装体，这类机制不涉及形变；另一种则依赖软质或柔性结构中的弹性形变，与刚性机制相比，软质或柔性结构可实现连续形变，理论上具有无限自由度，不仅能实现弯曲、拉伸、扭转及其组合等多种运动和丰富的形变模式，还可利用软活性材料响应外部刺激实现自适应形状变换。

在众多可重构柔性结构中，双稳态和多稳态系统（如捕蝇草、Kresling 折纸结构）因其能在多种稳定状态间快速且可逆切换的特性而备受关注。这类结构通过利用存储的弹性应变能，无需持续的力或致动输入，就能变形并锁定在两种或多种稳定构型中。现有的双稳态和多稳态超结构种类丰富，涵盖杆、梁、板、壳以及柔性机构等，为将其转化为功能性机器人或变形机器人提供了广阔的设计空间。例如，利用双稳态超结构在两种稳定状态间由快速弹扣效应引发的快速形状变换，已在高能效的操控与运动领域实现广泛应用，如快速或自适应抓取、跳跃、奔跑、游泳以及自主避障等功能。

相较于双稳态，多稳态系统可在多种（两种以上）稳定构型间转换，为实现多功能性以及多样化的操控或运动模式提供了可能，进而提升系统的通用性与适应性。近年来，研究人员利用由多个相连双稳态折纸单元构成的多稳态折纸超结构，实现了如物体提升、自适应抓取等多模式操控功能。然而，在充分利用多稳态系统的多稳定构型形状变换特性，开发多功能、自适应、可重构软变形机器人方面，仍存在诸多局限与挑战。

首先，以往研究主要集中于自适应操控领域，而多稳态在多功能、地形自适应运动方面的广泛潜力尚未得到充分探索。更高的可重构性本可使多稳态软变形机器人通过动态改变身体形状、切换运动模式，在复杂环境中导航，但这一方向的研究仍有待深入。其次，实现多种稳定构型间的可控致动（尤其是针对多模式运动）难度极大。更高的可重构性和适应性往往伴随着致动与控制复杂度的增加，这在很大程度上是由于结构形状变换效率（η，定义为变形形状数量 N 与结构单元数量 n 的比值，即 η=N/n）有限所致。典型的双稳态结构（如曲梁、壳体、Kresling 折纸结构）效率较低，η 仅为 2。

目前，提高形状变换效率主要有两种策略：一是增加单个结构单元的稳定构型数量（例如三稳态设计的 η=3）；二是将多个多稳态单元进行串联或并联组装，此时 N 和 η 会随单元数量呈指数级增长（例如 n 个串联双稳态单元的 η=2?/n）。不过，后一种策略虽能在单元数量较多时指数级增加构型数量并提高效率，但也带来了结构复杂性提升、制造难度加大、各多稳态单元分布式致动以及控制难度增加等显著挑战；而单单元策略虽能提供更紧凑的解决方案，简化制造与致动方案，但可实现的稳定构型数量有限，在不手动改变边界条件的情况下，通常最多仅能达到 5 种（如五稳态四顶点折纸单元）。这种可重构性与系统复杂性之间的权衡，凸显了寻求替代策略的必要性。理想的解决方案应能在单个多稳态单元内最大化稳定构型数量，从而在提高形状变换效率的同时，简化致动与控制过程。

鉴于此，本文提出了一类基于可展曲面的多稳态薄壳超结构，该结构具有高结构形状变换效率，且易于转化为自适应、多响应变形机器人。这类超结构通过对平面薄片中 H 形切口的端部进行粘接构建，可实现弹性能的可编程预存储，单个单元可实现多达 20 种稳定状态，4 个单元组成的网络则可实现多达 256 种构型。作者基于离散可展曲面理论提出动态虚拟折痕概念，以解释形状变换机制；薄壳设计使其易于与系留式（如压电式）或非系留式（如磁致式）多响应致动器集成，进而转化为软自适应移动变形机器人。大量的稳定状态与高形状变换效率简化了实现多功能形状变换的控制与致动过程，借助多样化的远程形状变换，作者展示了该结构在多模式运动以及非结构化环境中自适应导航方面的应用。

研究图文详解

图 1：高形状变换效率的多稳态薄壳超结构及其多功能机器人应用

（A）通过对二维方形薄片中带图案化 H 形切口的内边界进行粘接（内边界间距为 d），构建三维多稳态薄壳超结构单单元（上半部分）及其四单元网络结构（下半部分）的示意图，并展示了几种具有代表性的转化后稳定形状。（B）在其他几何参数固定的情况下，单单元中稳定状态数量 N 与存储弹性能 U 随粘接距离 d 变化的关系曲线。（C）本文提出的多稳态薄壳超结构与以往多稳态单元在形状变换效率 η 方面的对比。（D、E）多稳态单元结构转化为多功能变形机器人的应用展示：（D）通用型抓手，可无创抓取豆腐等易碎物体并拾取沙子等颗粒状材料；（E）在远程施加磁场 B 作用下的自适应多模式软磁性爬行机器人。（D、E）中的比例尺均为 1 厘米。

图 2：多稳态单单元的形状变换与能量图谱

（A）粘接距离 d=30mm 的单单元中 16 种稳定状态间的形状变换路径。通过推动或拉动在构型①中标记的、位于两端和中心部位的 4 个致动点实现变换，左侧展示前 8 种构型，右侧为其镜像构型。比例尺为 3 厘米。（B）有限元分析（FEA）模拟得到的不同稳定状态间形状变换过程中弹性应变能 U 与推 / 拉位移 u 的关系曲线。插图显示了形状变换的加载方向，蓝色圆点代表局部能量极小值状态（稳定状态），红色圆点代表局部能量极大值状态（不稳定状态）。

图 3：可展薄壳单单元中通过动态虚拟折痕局部折叠实现的形状变换

（A）两端固定的双稳态弯曲条带形状变换示意图，用带颜色的直线表示曲面母线，动态虚拟折痕用具有局部最大主曲率的红色实线表示。（B）多稳态单单元中，通过折叠每种构型中同色动态虚拟折痕实现的局部变换路径。

图 4：多稳态单元网络的形状变换

（A-C）通过相邻单元间三种组合粘接方向（用虚线表示）构建双单元网络，并展示其具有代表性的转化后稳定形状。（D）通过相邻单元间四种组合粘接方向构建四单元网络，并展示其具有代表性的转化后稳定形状。（A-D）中的比例尺均为 1.5 厘米。此外，图中还标注了不同网络结构的稳定构型数量，如双单元网络中部分构型可实现 18 种、22 种稳定状态，四单元网络部分构型可实现≥64、≥128、≥256 种稳定状态。

图 5：通用型无创双稳态抓手的应用

（A）抓手设计示意图，通过拉动或推动滑块实现踏板的闭合与打开，从而在两种稳定构型①和⑥之间切换。（B）滑块提升过程中的力 - 位移曲线。（C）抓手抓取不同刚度、不同形状物体的展示，包括无创抓取易碎豆腐、球形物体、锥形盖、不规则形状回形针、较重玻璃瓶，以及拾取颗粒状沙子。（A、C）中的比例尺均为 1 厘米。

图 6：基于形状变换的磁性多步态跳跃机器人与爬行机器人的应用

（A）带有 5 个磁性胶带的多稳态单单元在远程施加磁场 B 旋转作用下的形状变换过程，左侧箭头表示胶带中的磁化方向。（B）通过对变形机器人的不同转化构型施加和移除磁场 B，实现跳跃步态（步态 1、步态 2）和爬行步态（步态 3、步态 4）的高速图像。（C）初始构型为 IV 的变形机器人在从光滑表面到复杂波纹表面的穿越过程中，切换为步态 4 或步态 2 前后的对比展示（切换前无法穿越，切换后成功穿越）。（D）步态 2 的跳跃机器人在受限空间导航过程中，切换为步态 3 前后的对比展示（切换前无法通过，切换后成功通过）。（A-D）中的比例尺均为 2.5 厘米。

图 7：受限空间中双响应可重构机动爬行机器人的应用

（A）爬行机器人设计图，该机器人由双单元网络构建而成，集成了 3 个磁性胶带和 1 个压电聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜软致动器，实现磁致动与压电致动双响应；4 个 “足部” 分别标记为（1）-（4）。（B）上图：在施加磁场 B 使爬行机器人在四种不同状态间变换形状的情况下，通过调节电压和致动频率，实现可调谐多模式直线运动和旋转运动的展示；下图：四种稳定状态下 “足部” 与地面接触情况的变化。（C）在 - 600~600V 正弦电压作用下，（00）状态下爬行机器人的旋转角速度随致动频率变化的关系曲线。（D）自适应机动爬行机器人通过磁致形状变换在平面 T 形受限空间中导航的展示。（A、B、D）中的比例尺均为 1 厘米。

总结和展望

本文围绕多稳态薄壳超结构展开系统研究，在结构设计、性能优化与机器人应用等方面取得了多项重要成果，为可重构软机器人领域的发展提供了创新性解决方案。

在结构设计与性能方面，研究团队提出了基于可展曲面的多稳态薄壳超结构构建方法，通过对带有 H 形图案化切口的薄聚合物片进行切割与粘接，实现了弹性能的可编程预存储。该结构在形状变换效率上表现突出，单个单元可实现多达 20 种稳定构型，4 个单元组成的网络通过动态虚拟折痕折叠可产生 256 种重构状态，其形状变换效率（η=20）远超现有多稳态结构（如五稳态四顶点折纸单元 η 仅为 5）。为解释形状变换机制，研究提出 “动态虚拟折痕” 概念，结合有限元模拟与离散可展曲面理论，发现薄壳结构形变以弯曲为主，可近似为可展曲面，通过识别具有局部最大弯曲能的母线（即动态虚拟折痕），揭示了结构在不同构型间切换的内在规律。同时，研究还分析了粘接距离对结构性能的影响，随着粘接距离从 5mm 增至 50mm，预存储弹性能从 0.41mJ 提升至 6.54mJ，稳定构型数量也从 4 种增至 20 种，证明了通过调控结构参数优化性能的可行性。

在机器人应用领域，该多稳态薄壳超结构展现出极强的多功能性。在操控方面，基于结构在两种稳定构型间的可逆变换，开发出通用型无创双稳态软抓手，无需持续外力即可稳定抓取物体，最大负载质量达 20.8g，负载 - 重量比为 28.5，且能无创抓取豆腐等易碎物体、拾取沙子等颗粒材料，解决了传统抓手易损伤物体、需持续致动的问题。在运动功能方面，通过集成不同致动方式，实现了多模式机器人运动：与磁性致动器结合，构建出磁性多步态跳跃机器人，可通过磁场调控实现左右跳跃（跳跃高度最高达 87mm，速度最高 2.18 倍体长 / 秒）与爬行（速度 0.26~1.20 倍体长 / 秒）；与压电致动器（PVDF 薄膜）和磁性致动器结合，开发出双响应可重构机动爬行机器人，通过磁场调控实现四种稳定构型切换，结合电压与频率调节，实现直线运动、旋转运动（角速度最高 128.6°/ 秒），并能在 T 形受限空间中完成转向、进退等复杂导航动作。

此外，该多稳态薄壳超结构还具有显著的性能优势：一是无需持续致动即可维持稳定构型，大幅降低能耗；二是结构基于薄聚合物片构建，制造工艺简单、成本低，且易于规模化组装；三是可与多种致动方式（磁致、电活性致动等）兼容，适应不同应用场景需求。