研究人员为通用机器人应用开发超可调双稳态结构

自然界中的双稳态结构因其快速响应和力放大而无与伦比，即使在最微小的物理刺激下也是如此。利用双稳态和不稳定性来快速释放双稳态结构中存储的能量可以提高机器人在多个领域的性能，例如高速运动、自适应传感和快速抓取。

然而，目前对双稳态结构的研究主要集中在它们的稳定状态上，而目前的研究中缺少具有大范围可调能垒的中间态。

近日，由中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)李应田博士领导的研究团队提出了一种超可调双稳态结构，具有可编程的能量势垒和触发力的数量级差异。这些结构还可以根据各种几何配置、尺寸、材料和驱动方法进行定制，以满足各种机器人应用的需求。

报道的双稳态结构是通过将片材折叠成特定的折痕图案来制备的。它有一个稳定状态，一个亚稳态和巨大的中间状态。当双稳态结构从亚稳态过渡到稳定态时，存在一个临界点，即存储的应变能达到最大值，快速卡通开始。

在这项工作中，报道了在双稳态结构达到临界点之前具有可编程能垒的巨大中间态。

通过将结构从介稳态重塑为任何中间态，能量势垒降低，这意味着需要较小的外部刺激来触发双稳态结构的快速穿透。随着能量屏障的不断降低，所需的外部刺激变得越来越微妙。这就是研究人员如何为所提出的可控双稳态结构实现大范围的可调触发力。

为了证明所提结构的可调性，研究人员进行了一系列实验，并说明单个结构的触发力可以调整到其最大值的0.1%，而使用具有不同设计参数的所提出的结构制造的夹具的提升重量差是其107倍。

“我们可以将结构调整到超敏感状态，以便它对微小的刺激做出反应，就像飞蜂的触摸一样轻柔，同时我们还可以将结构设置为不敏感状态，即使是重达110克的偷球也无法打破它的能量屏障，”李博士说。

为了验证该结构在不同应用中的潜力，开发了各种原型，包括机器人捕蝇器、夹持器、跳线、游泳器、热开关和分拣系统。原型表明，具有灵敏“雌蕊”的机器人捕蝇器可以在10毫秒内通过物理刺激触发;双稳态捕手可以捕获高速(10 m/s)乒乓球;最小的跳线达到其身高 24 倍以上的高度，等等。

“我们很高兴地发现我们提出的结构可以用于如此广泛的应用，这显示出卓越的性能，”李博士说，“这项工作可以拓宽双稳态结构设计的前沿，并为机器人、生物医学工程、建筑和动力学艺术的未来设计开辟一条道路。

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