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  受自然界中生物體的啟發(fā)，多功能仿生軟體機(jī)器人已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人具有高度的順應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性。在各種軟體驅(qū)動(dòng)材料中，液晶彈性體（簡(jiǎn)稱(chēng)為LCE）以其大致動(dòng)和可逆致動(dòng)、高可加工性和可編程性等性能而備受關(guān)注。但大多數(shù)現(xiàn)有的LCE纖維執(zhí)行器僅限于單軸或有限變形模式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多功能任務(wù)所需的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。利用LCE纖維等一維材料實(shí)現(xiàn)三維可編程變構(gòu)，是軟體機(jī)器人領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

  從“結(jié)繩記事”開(kāi)始，基于編織技術(shù)，人們可以利用天然或人工纖維等一維材料構(gòu)造出復(fù)雜的二維或者三維結(jié)構(gòu)（圖1a）。然而，傳統(tǒng)編織的幾何圖案通常是有限的，對(duì)紡織專(zhuān)業(yè)知識(shí)的依賴(lài)，復(fù)雜的制造工藝和特定的設(shè)備限制了纖維驅(qū)動(dòng)器在軟體機(jī)器人中的應(yīng)用。浙江大學(xué)航空航天學(xué)院徐彥教授團(tuán)隊(duì)提出了受繩結(jié)技藝啟發(fā)的LCE纖維軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)策略（圖1b）。采用預(yù)先設(shè)定的編織樣式和手工編織技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多維變形結(jié)構(gòu)�；谠撛O(shè)計(jì)策略，研制了四種LCE纖維軟體驅(qū)動(dòng)器。建立了軟體驅(qū)動(dòng)器的變形能力表征模型，并數(shù)值和試驗(yàn)驗(yàn)證了各種驅(qū)動(dòng)器的變形能力（圖2、圖3）。采用編織LCE纖維軟體驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)建了可編程機(jī)器表面、受心臟啟發(fā)的軟體泵、爬行機(jī)器人和游動(dòng)機(jī)器人等一系列軟體機(jī)器人，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)策略可以采用一維材料實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維可編程變構(gòu)運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)繩結(jié)技藝固有的設(shè)計(jì)靈活性使其能夠構(gòu)建各種三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，表明該設(shè)計(jì)策略可以進(jìn)一步拓寬其在多功能驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人的應(yīng)用范圍。此外，雖然電驅(qū)動(dòng)LCE纖維是本工作中采用的主要材料，但所提出的設(shè)計(jì)策略并不局限于這種材料。氣動(dòng)肌肉纖維、形狀記憶合金纖維等各種一維材料可以無(wú)縫集成到該設(shè)計(jì)框架中。

  2025年2月19日，該工作以“Weaving liquid crystal elastomer fiber actuators for multifunctional soft robotics”為題發(fā)表在《Science Advances》上（Sci. Adv. 2025, 11, ads3058），并入選當(dāng)期的Featured Image，以“Weaving liquid crystal elastomer fiber actuators”為題刊登在期刊網(wǎng)站首頁(yè)。文章第一作者是浙江大學(xué)航空航天學(xué)院博士生楊虎嘯，徐彥教授為通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12472166, 91748209）和浣江實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目的支持。

圖3 OWA驅(qū)動(dòng)器和DWA驅(qū)動(dòng)器特性表征

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于可編程和可重復(fù)編程變構(gòu)系統(tǒng)相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。由于運(yùn)載平臺(tái)搭載空間的限制和在軌制造技術(shù)成熟度不高，現(xiàn)有的航天器結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)超大尺寸。傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)大工作空間和器件小型化，在復(fù)雜的航天操作任務(wù)中柔順性和適應(yīng)性有待提升。為此團(tuán)隊(duì)致力于大型可展開(kāi)空間結(jié)構(gòu)、空間機(jī)器人等復(fù)雜剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的力學(xué)機(jī)理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究。近年來(lái)，提出了剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)可編程寬幅變構(gòu)/變剛度設(shè)計(jì)方法（Sci. Adv. 2025, 11, eads3058; Chinese J. Aeronaut. 2022, 35, 7; Smart Mater. Struct. 2023, 32, 8; Sensor. Actuat. A-Phys., 2025, 382, 2），探究了其力學(xué)特性可重復(fù)編程和機(jī)械性能調(diào)控機(jī)理（Nat. Commun., 2023, 14,4329; Int. J. Mech. Sci., 2025, 286, 109889; Cyborg Bionic Syst., 2024, 5, 0111），發(fā)展了變構(gòu)過(guò)程的復(fù)雜力學(xué)行為建模和仿真方法（Chinese J. Aeronaut., 2024, 37, 4; Adv. Space Res., 2024, 74; Structures, 2024, 61, 106082; J. Aerospace Eng. 2021, 6672177），力圖突破航天器結(jié)構(gòu)和空間機(jī)器人在構(gòu)型、尺寸、剛度、適應(yīng)性等方面的設(shè)計(jì)邊界。

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