Nature：自适应机器人超材料的算法设计！

结构决定性质，是材料领域众所周知的事情。当材料的晶体结构发生变化时，其性能也会随之发生改变。类似地，超材料等智能材料在受到外部刺激并发生响应时，如果改变组装结构，发生结构重构，就能改变整体功能。这一特性对自动化技术的发展起到重要推动作用。

 

为了建造自适应机器人，使之更容易适应环境变化，需要设计不同形状的组装体来满足变形的需要。自适应机器人设计最大的挑战在于：如何能够制造出交互式、普适性的具有高度自由度和移动性的机器人和自动设备元器件，能同时改变形状和力学参数。

 

基于折纸艺术启发的设计原则是解决以上问题的一个有效策略。目前主要的问题在于：不是所有基于折纸艺术的结构都能实现重构，而且哪一种能够实现重构也并不清楚。

 

有鉴于此，哈佛大学Katia Bertoldi课题组及其合作团队报道了一种算法，能预测并设计出可进行结构重构的折纸结构新材料。

 

图1. 3D 折纸结构的重构的设计原则

 

在之前的研究基础上，研究人员基于棱柱形折纸结构及其三维图案进行计算，这些菱柱结构的截面包括三角形和六边形，八面体和十四面体等等。研究人员假设多面体的所有面突出，形成棱柱，然后和其他截面积相同的菱柱结合，形成一个基本的构筑单元（cell），基本的构筑单元继续组装形成超材料。这种超材料的扭曲模型可以通过棱柱的形状和基本构筑单元的镶嵌类型进行预测和计算设计。

 

 

图2. 3D 折纸结构的重构

 

这项工作开发的算法以单个构筑单元为准，复合基本的物理和结构准则。不仅为自适应机器人元器件制造提供了借鉴，而且为米级构筑单元的设计和化学反应行为的理解提供了良好的平台。

 

 

本文主要参考以下所列文献，图文和视频仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系！

Johannes T. B. Overvelde, Katia Bertoldi et al. Rational design of reconfigurable prismatic architected materials. Nature 2017, 541, 347–352.