形狀重構能力可賦予機器人豐富多樣的運動模式，極大提升機器人的環(huán)境適應能力。當前，這類機器人主要通過兩種方式來實現(xiàn)形態(tài)改變：一是采用舵機等機械結構精確重構；二是依靠智能材料制成、兼具變形和鎖定能力的變剛度驅動器。對于研究人員而言，減小電機尺寸與質(zhì)量并實現(xiàn)其復雜變形能力頗具挑戰(zhàn)。現(xiàn)有驅動器在小尺度(如<5cm)下，難以同時實現(xiàn)連續(xù)的形狀變化與構型鎖定，也難以達成同源且解耦的變形與鎖定控制，嚴重制約了多模式機器人向微型化與無線化發(fā)展。
 

　　近日，清華大學航天航空學院、柔性電子技術國家級重點實驗室(柔電國重)張一慧教授課題組采用材料與結構協(xié)同設計的策略，提出了一種具有連續(xù)形狀變化和構型鎖定能力的薄膜形電熱響應驅動器的設計概念。與其他具有變形及鎖定能力的驅動器相比，該類驅動器具有最小的尺寸以及最大的彎曲變形角度。在此基礎上，課題組研制了具有復雜變形模式的薄膜單胞和塊體單胞，進而構建起一套“搭積木”式的設計方法，可用于制備具有復雜形狀重構能力的驅動器(如“變形金剛”等)(圖1)。
 

　　圖1.具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅動器。(a)為驅動器的變形和鎖定示意圖；(b)為基于“搭積木”設計策略的“變形金剛”驅動器。(比例尺：10mm)

 

　　該驅動器具備優(yōu)異的變形和鎖定能力以及較強的承載特性，可作為可重構外骨骼，用以集成傳感器、電機等功能元器件，進而構建復雜的機器人系統(tǒng)(圖2)。基于此，課題組設計制備了具有復雜變形重構能力的三維顯示器件、可在多種構型(如“跑車”“飛車”和“貨車”)間切換的多功能微型輪式機器人，以及世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機器人(體長9cm；質(zhì)量25g；其地面運動速度為每秒18.2個身長)。
 

　　圖2.基于該驅動器的可重構系統(tǒng)。(a)為多功能微型輪式機器人；(b)為微型陸空兩棲機器人；(c)-(d)為微型陸空兩棲機器人的戶外運動場景展示。(比例尺：(a)10mm、(b)30mm)
 

　　4月18日，相關研究成果以“具有連續(xù)三維變形和鎖定能力的可重構機器”(Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking)為題，在線發(fā)表于《自然·機器智能》(Nature Machine Intelligence)。
 

　　清華大學航天航空學院、柔性電子技術國家級重點實驗室(柔電國重)教授張一慧為論文通訊作者，航天航空學院2020級博士生徐世威為論文第一作者。論文作者還包括清華大學航天航空學院2021級博士生胡笑男、2024級博士生臧傳奇、2023級博士生羊佑舟、2022級博士生賴禹辰、2018級博士生鄔軍，航天航空學院博士后楊若曦、肖越、劉文博、龐文博、劉卿，柔電國重副研究員柏韌恒，以及清華大學機械工程系副教授趙慧嬋、北京航空航天大學教授文力、北京航空航天大學博士生田博丞和李磊。研究得到國家自然科學基金委、科學探索獎、清華大學國強研究院等的資助。