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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    软体驱控中的力学问题专题·编者按

    李汶柏张文明
    1页
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    智能软材料多场耦合本构理论及其在软体机器中的应用

    肖锐钱劲曲绍兴
    2-14页
    查看更多>>摘要：智能软材料能在外场作用下产生激励效应,且其智能响应行为与大变形深度耦合,这对建立其力学本构理论提出了重要挑战.本文以形状记忆聚合物、液晶弹性体、介电弹性体、磁敏弹性体、智能水凝胶为代表性智能软材料,介绍了上述材料的发展概况以及在相关多场耦合本构理论领域的进展.智能软材料在软体机器人领域也有着广泛的应用前景,因此,本文也将探讨基于软材料多场耦合理论模型来设计软体机器人的现状以及不足之处,以期为后续该领域的发展提供借鉴.

    软材料软体机器人多场耦合

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    叠层式介电弹性体人工肌肉驱动器:设计、制备与柔性驱动应用

    马文涛王海天孙文杰汤超...
    15-42页
    查看更多>>摘要：介电弹性体驱动器(Dielectric Elastomer Actuator,DEA)具有可与自然肌肉相媲美的优异驱动特性,近些年成为了柔性驱动领域的研究热点之一.鉴于单层DEA存在输出力小、易失稳、结构刚度低,需要预拉伸维持的问题,叠层式介电弹性体驱动器(Multi-Layered Dielectric Elastomer Actuator,MDEA)应运而生.本文归纳了现有的MDEA材料的特性,总结了叠层结构的设计与制备方法,并对其性能进行了比较和分析;介绍了多种适用于MDEA的柔性电极以及对应图案化制备方法;最后对MDEA在柔性器件以及机器人驱动中的应用进行介绍.随着技术的发展,高性能的MDEA势必成为人工肌肉的重要组成部分,并将支撑软体机器人领域的进一步发展.

    叠层式介电弹性体人工肌肉软体机器人增材制造

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    柔性电控微纳执行器研究进展

    王宁姚晔刘景全刘清坤...
    43-58页
    查看更多>>摘要：近年来,随着微纳米薄膜制造技术的飞速发展,新型电控微纳米执行器不断涌现.因其具有尺寸小、能直接被集成电路控制、可大批量生产等诸多优点,电控微纳薄膜执行器在微纳机器人、生物医学器件以及智能超材料领域具有广泛的应用.本文综述了近年来电控微纳薄膜执行器的重要突破.首先,阐述了基于化学和物理效应的电致动机制.其次,系统总结了多种类型的电致动薄膜材料,并着重介绍了新兴的纳米薄膜材料.接着,详细介绍了电控微纳薄膜执行器在微纳机器人等领域的重要应用.最后,本文讨论了当前电控微纳薄膜执行器研究中的关键问题和未来发展前景.

    纳米薄膜执行器电响应微纳机器人

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    硬磁软材料的三维无网格模型

    刘俊廷杨易凡李茂源徐凡...
    59-69页
    查看更多>>摘要：硬磁软材料由填充了高剩磁颗粒的弹性体基质组成,具有灵活的可编程性和快速变形等优势,在软体机器人、生物医学设备和柔性电子领域具有广阔的应用前景.对硬磁软材料大变形的精确预测是相关应用的关键.由于硬磁柔性结构的可编程形貌变形预测及设计对精度要求较高,本文提出了一种基于径向基点插值法的三维无网格模型来定量预测硬磁软材料的大变形行为.通过采用直接节点积分并结合中心差分法进行求解,研究了硬磁软梁和硬磁悬臂板的弯曲变形,硬磁软杆的扭转变形,以及硬磁软梁在三维非均匀磁化情况下的空间大变形响应.我们的模型不仅可用于定量分析硬磁软材料大变形行为,也可用于指导铁磁软体机器人和柔性结构的理性设计.

    硬磁软材料磁驱动器无网格法径向基点插值法大变形

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    可变刚度柔性手指的仿真与优化

    张军诗张凡刘磊刘庚...
    70-80页
    查看更多>>摘要：与传统的刚性手爪相比,柔性手爪使用的机械手指采用轻质、柔软的材料,具有接触灵活、适应性强的特点,可以用来抓取轮廓形状复杂的易碎物体.本文设计并制造了一种具有刚度调节能力的柔性机械手指.柔性手指由内部弯曲致动器和外部变刚度外套构成,并在气动压力的驱动下工作.首先,通过有限元分析的方法对气动弯曲致动器的参数进行了优化;然后,利用RVE代表体元法建立了变刚度外套中纤维介质堵塞现象的分析方法;最后,结合刚度可调外套,展示了柔性手指的变刚度能力,同时,将三根相同的柔性手指组装成柔性手爪,研究发现变刚度外套使得手爪的抓取力增强了两倍以上.本文所提出的柔性手指在柔性机器人领域具有很大的应用潜力.

    柔性手指弯曲变形可变刚度有限元分析优化设计

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    结构约束型可编程柔性跃变结构蒙皮设计

    柯星星柴治平雍昊臣丁汉...
    81-89页
    查看更多>>摘要：可编程柔性蒙皮在软体机器人、柔性电子和柔顺机构等领域具有重要的应用价值.然而,现有许多基于跃变结构蒙皮往往在进行力学阈值和工作行程设计时,存在阈值和行程耦合且设计参数空间有限等问题,限制了其在前述各个领域灵活应用.通过将约束结构引入跃变结构,本文提出了一种力学阈值和工作行程可同时编程的柔性结构蒙皮设计方法.首先,通过系统地表征基本跃变结构的力学阈值和工作行程与关键结构参数的关系,本文拟合了力学阈值和工作行程与结构参数的数学关系;进一步地,通过引入约束结构对其工作行程进行约束,建立了该约束结构的结构参数和工作行程的数学映射;最后,基于所提出的结构约束型可编程柔性跃变结构蒙皮,实现了在力学阈值几乎不变的条件下对蒙皮工作行程的精确调控,并验证了该方案对多级梯度行为调控的可行性.简而言之,本文所提出的方法极大简化了柔性蒙皮力学阈值和工作行程协同设计,拓宽了其设计参数空间,并使得跃变过程更加平顺,有助于实现柔性蒙皮在软体机器人、柔性电子等领域广泛灵活的应用.

    柔顺机构力学柔性蒙皮软体机器人

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    面向太空垃圾捕获的自生长柔性变刚度机械臂设计与控制策略研究

    房付熠李汶柏魏星宇王叙宁...
    90-101页
    查看更多>>摘要：随着人类探索宇宙步伐的不断加速,太空轨道垃圾已成为一个重大的安全隐患.现有的刚性机械臂、飞网等捕获方式对不同距离、不同尺寸轨道垃圾的适应性有限,缺少一种能够应对各类轨道垃圾的捕获装置和捕获策略.针对这一问题,本文利用曲壳梁可变刚度的特性,设计了一种新型的空间自生长柔性变刚度机械臂,实现了机械臂工作距离的大范围可调性;在此基础上,本文对这种新型的机械臂进行了动力学分析,提出了针对机械臂臂长分配的等矩原则,并建立了相应的算法;进一步的,本文面向跨尺寸的太空垃圾捕获,分别提出了抓取策略和缠绕策略,并采用取样避障和样条曲线方法,对机械臂进行了轨迹规划;最后,本文对所提出的针对自生长柔性变刚度机械臂的控制方法进行了仿真,验证了其可行性.

    太空垃圾机械臂设计控制策略仿真验证

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    一种骨骼肌驱动的类弹簧生物混合游泳机器人

    何舒畅周雨薇吴禹李正伟...
    102-111页
    查看更多>>摘要：由活性生物体和软材料骨架构成的生物混合机器人能够响应外部激励并且智能地应对复杂环境,受到越来越多的关注,已成为机器人领域的研究热点和学术前沿.本文构建了一种骨骼肌驱动的类弹簧生物混合游泳机器人,它在电刺激作用下可以实现单向游动.该生物混合游泳机器人由类弹簧软骨架、环状骨骼肌生物软体驱动器和薄膜鳍结构组成.系统的实验研究表明,所培养的环状骨骼肌生物软体驱动器在电刺激下可产生较大的收缩变形和主动收缩力,所组装制备的类弹簧生物混合游泳机器人在电刺激下可在液体环境中实现单向游动前进.这些结果将为设计复杂的生物混合机器人提供科学依据,未来在药物输送、原位活检等医疗健康领域具有重要应用前景.

    生物混合骨骼肌软体驱动器游泳机器人

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    基于输流软管驱动的仿水母动力学设计、仿真与实验

    何毅翔杨正铖邢浩然代胡亮...
    112-124页
    查看更多>>摘要：本文创新性地提出了一种基于输流软管变形驱动的新型仿水母机器人设计.当弯曲初始构型的软管输送流体时会产生较大的变形,在流速为零时软管便会恢复到初始构型,通过利用软管周期性的变形-恢复原理达到驱动目的.首先,基于绝对节点坐标法建立了输流软管的非线性动力学理论模型,通过动力学分析确定了在较小流速下产生较大变形的软管构型设计.然后,按照该弯曲初始构型制作了仿水母软体触手,并在水中开展了不同流速下的变形-恢复实验研究,与理论模型预测结果进行了对比.此外,发展了结构变形与流体动力学耦合的仿真方法,探究了仿水母机器人的内部流速和触手个数对作用在触手上的流体力的影响规律.研究表明,内流速越大,触手变形也越大,触手摆动频率降低,但最大流体力逐渐增大;在内流速相同的情况下,触手个数对单个触手变形产生的最大流体力没有影响.最后,通过3D打印制作了头部和三通接头,与软体触手共同组成仿水母机器人,在水下进一步开展了推进实验研究.实验表明,随着电压(内部流速)的增大,软体触手变形越大,推进速度也越大;相比于喷水推进模式,通过利用软体触手变形可提高28％的推进速度.本研究为水下仿生机器人驱动方式提供了一种新的设计策略.

    输流软管静变形水下仿生机器人流固耦合静变形驱动

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