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基於對稱的雙穩態單元有很多種，如圖1所示。透過雙穩態的拼接可獲得多穩態結構，但這會造成一個問題，就是該結構有大量的多餘穩態，導致變體過程難以控制，通常需要佈滿大量獨立控制的智慧材料驅動器做全驅動控制才能完成目標變形。
圖1 基於對稱的雙穩態單元。
近日，武漢大學李洋研究團隊提出一種新的構造原理，透過將兩個運動特徵不同的四連桿耦合到一起，便可以產生一個多穩態結構，如影片2所示，其條件是兩個四連桿的連桿部分需要在空間中的若干處具有相同方位，這就是“多協調設計法”。
影片2 多協調設計法：兩個四連桿拼接成了一個四穩態結構
研究團隊基於這一原理，設計了一系列由四連桿耦合形成的多穩態結構，如影片3所示。其中，透過多協調設計過程中考慮構件之間避免碰撞的需求（寫入約束方程）以及加工時的後處理（設計曲線型的杆避免碰撞），得到了真正的平面多穩態結構，可以由3D印表機一體化列印無需裝配，如影片4所示。本論文初步對該單元進行了拼接的展示，拼接整體均為一體化3D列印，拼接整體可實現不同的曲率曲線，如影片5所示，未來有望進一步探索在超材料領域的應用。
影片3 兩板四杆（2P4B）三穩態結構
影片4 平面三穩態結構，可由3D印表機一體化列印，無需裝配
影片5 平面三穩態單元拼接，模型由3D印表機一體化列印，未來有望應用於超材料領域
在完成多穩態結構設計之後，研究團隊引入輕推彈性帶法（NEB）計算多穩態結構在目標穩態之間變形的最小能量路徑，最小能量路徑找尋視覺化如影片6所示。以該路徑為依據設計驅動，考慮到適用於形狀記憶合金作驅動器，以驅動器兩端的安裝位置之間的距離沿著最小能量路徑單調減小為約束，以驅動器的長度變化最大為目標，最佳化求解驅動設計。對一個更復雜的三板六杆（3P6B）三穩態結構進行驅動設計，最後的實驗演示結果如影片7所示。
影片6 輕推彈性帶法（NEB）找尋多穩態結構變形最小能量路徑。左側為影片3中2P4B三穩態結構的能量地形。右側為影片7中3P6B三穩態結構降維後的能量地形。
影片7 三板六杆（3P6B）三穩態結構由設計的驅動牽引重構
最後，為展示該多穩態結構設計全流程的有效性，透過一個四穩態結構構造變剛度夾爪，僅需一個驅動器可以同時實現將豆腐輕輕夾起的軟模態、脈衝式夾碎的硬模態以及兩個模態之間的切換，其演示過程如影片8所示。
影片8 四穩態結構構造變剛度夾爪，僅需一個驅動器分別實現將豆腐輕輕夾起和脈衝式夾碎。
綜上所述，本研究提出了包含多協調性設計、剛度設計、最小能量路徑找尋及驅動設計的全流程易驅動多穩態結構設計方法，為多穩態結構在可重構機器人、可程式設計超材料和變形機翼等領域的應用提供了靈活的設計思路。相關工作以“Easy-to-actuate multi-compatible truss structures with prescribed
reconfiguration”為題發表於期刊Nature Communications上。武漢大學為該論文的第一署名和通訊單位，工業科學研究院博士生艾琳（弘毅學堂畢業生）為論文第一作者，李洋研究員為論文通訊作者，加州理工學院博士生銀樹焜（弘毅學堂畢業生）、弘毅學堂本科生何偉霞、工研院碩士生張沛東為論文共同作者。大學生工程訓練與創新實踐中心的陳東和黃亞老師為此專案提供了機械加工的支援。
reconfiguration”為題發表於期刊Nature Communications上。武漢大學為該論文的第一署名和通訊單位，工業科學研究院博士生艾琳（弘毅學堂畢業生）為論文第一作者，李洋研究員為論文通訊作者，加州理工學院博士生銀樹焜（弘毅學堂畢業生）、弘毅學堂本科生何偉霞、工研院碩士生張沛東為論文共同作者。大學生工程訓練與創新實踐中心的陳東和黃亞老師為此專案提供了機械加工的支援。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49210-3
李洋博士（2012-2017）畢業於牛津大學（導師Zhong You），博士後（2017-2020）工作於加州理工學院（導師Sergio Pellegrino）。研究物件是變體結構，應用物件有軟體機器人、血管支架和手術器械、變體/可重構機器人、可展結構、力學/可重構超材料等。歡迎有興趣的小夥伴來一起合作（[email protected]）。
課題組主頁：
http://jszy.whu.edu.cn/yang_li。
