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  雙穩(wěn)態(tài)之間的彈突跳變現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)在自然界中隨處可見(jiàn)：例如快速閉合葉片的捕蠅草、快速閉合喙突的蜂鳥(niǎo)等。利用雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高性能的軟驅(qū)動(dòng)器和軟體機(jī)器人有著廣闊前景和顯著優(yōu)勢(shì)。雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)之間的彈跳突變結(jié)構(gòu)有助于軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速奔跑或游動(dòng)、自適應(yīng)快速感知和抓取、形貌重構(gòu)和無(wú)電子化的邏輯門(mén)和控制系統(tǒng)。該論文歸納總結(jié)了近年來(lái)雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軟體機(jī)器人中的最新研究進(jìn)展，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和多種先進(jìn)材料及其驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了詳細(xì)的例述和分析，并對(duì)當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展等方面進(jìn)行了展望。

圖1 雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)建原理、驅(qū)動(dòng)模式以及應(yīng)用

  文中，作者首先分類(lèi)討論了構(gòu)建雙穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器的基本設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)，其中包括一維梁架結(jié)構(gòu)、二維彎曲薄板結(jié)構(gòu)、三維穹頂狀結(jié)構(gòu)、柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)、折紙結(jié)構(gòu)以及球囊結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要回顧了幾種代表性驅(qū)動(dòng)材料的優(yōu)缺點(diǎn)，其中包括氣液驅(qū)動(dòng)彈性體、電活性聚合物和激勵(lì)響應(yīng)聚合物，例如形狀記憶聚合物、液晶聚合物、水凝膠、磁感應(yīng)彈性體和扭曲人造肌肉。然后論述了結(jié)合不同材料性能和各類(lèi)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在軟驅(qū)動(dòng)器和軟體機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。

1. 一維梁架雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器

  原則上，由于梁屈曲現(xiàn)象，一維梁架結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)預(yù)儲(chǔ)能和雙穩(wěn)態(tài)之間的彈性跳變，并結(jié)合有線或無(wú)線控制，例如在光、熱、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性拱形形變，基于其二維彎曲變形，實(shí)現(xiàn)快速爬行 （陸地或水中），抓取等復(fù)雜機(jī)器人動(dòng)作。

圖 2：一維梁架結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例

2. 二維彎曲薄板雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器

  二維彎曲薄板雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器受到卷尺或捕蠅草雙曲面的啟發(fā)，由于在變形后的穩(wěn)態(tài)不需要額外供能，其可用于低能耗的抓取機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速打開(kāi)和閉合。

圖 3：二維彎曲薄板雙穩(wěn)態(tài)軟驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例

3. 三維穹頂狀雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器

  和前兩種驅(qū)動(dòng)器相比，穹頂雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更大的三維屈曲變形，大面積的快速內(nèi)外翻折有利于其和流體的高效相互作用和復(fù)雜的氣流通道。利用不同的驅(qū)動(dòng)模式，可實(shí)現(xiàn)仿生水母水下機(jī)器人，跳躍式軟體機(jī)器人和流控邏輯通路。

圖 4：三維穹頂狀雙穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例一

圖 5：三維穹頂狀雙穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例二

4. 柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)及折紙機(jī)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器

  柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)合傳統(tǒng)剛體結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)完全或部分的彈性變形，利用彈性失穩(wěn)釋放的勢(shì)能實(shí)現(xiàn)水面跳躍，快速奔跑或水下游動(dòng)。此外，基于幾種經(jīng)典的折紙結(jié)構(gòu)，例如克雷斯林圖案（kresling），可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的多穩(wěn)態(tài)切換和可編程變形。

圖 6：柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例

圖 7：折紙結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例

5. 球囊雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器

  大多數(shù)氣動(dòng)式軟體機(jī)器人往往受限于復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)，龐大的氣泵和供能系統(tǒng)。利用充氣球囊的非線性失穩(wěn)膨脹，可實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的快速響應(yīng)和去電子化。

圖 8：球囊雙穩(wěn)多穩(wěn)態(tài)柔性驅(qū)動(dòng)器及軟體機(jī)器人示例

  文章以Bistable and Multistable Actuators for Soft Robots: Structures, Materials, and Functionalities為題發(fā)表在Advanced Materials上。該論文共同第一作者為團(tuán)隊(duì)博士生赤銀鼎（博士生）、李艷濱、博士后趙耀。其它合作作者有博士生洪堯燁以及同濟(jì)大學(xué)唐一超教授。尹杰教授擔(dān)任通訊作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110384