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最新论文——Fundamental Research | 袭凯莉同学发表基于三重对称 Bricard 连杆机构的多稳态机构
From: Date: 2025-12-06 本工作基于三重对称 Bricard 连杆机构，设计了一种兼具准零能量稳态区间与离散稳定状态的多稳态机构。该机构巧妙利用 Bricard 连杆机构运动中因杆间几何限制产生的物理干涉——即运动到特定角度时会被卡住无法继续移动，用弹性膜替代部分转动铰链以构建弹性铰链，从而克服物理干涉并储存弹性能，设计了两类多稳态机构。第一类在展开和折叠构型均能保持稳定，其间存在一段连续机构运动；第二类则表现出由能量势垒分隔的两个机构运动区间。该成果为多稳态机构的开发开辟了新的路径，具有广泛的应用前景。 背景介绍 多稳态结构能够在多个稳定状态之间快速切换，在机器人、能量吸收、机械计算等领域应用广泛。然而，当前多稳态结构的设计大多基于双稳态单元的组合，通常只能提供有限的变形能力。团队通过将离散的结构稳定状态扩展为机构运动的准零能量稳态区间，创建了多稳态机构，显著提升了其变形能力，有助于实现大折展比等功能。 研究成果 由于几何限制，Bricard 连杆机构在特定设计参数运动时会遭遇物理干涉，导致运动受阻并发生变形。团队首先通过运动学分析，确定了两种主要的物理干涉类型（图 1）。第一种物理干涉发生在展开构型（Deployed configuration，记为Cd）和折叠构型（Folded configuration，记为Cf）附近。红色曲线表示存在变形的运动路径，蓝色曲线表示无干涉的机构运动区间，这种现象称为 D&F-blockage。第二种物理干涉出现在运动路径的中间部分。机构在两个相邻周期上各有一段机构运动区间，需要克服物理干涉跨越周期（Cross-cycle），从而实现从展开到折叠构型的完整运动，这种现象被称为 Cross-blockage。 面对运动中的物理干涉，团队利用弹性膜替换了部分转动铰链，构建了弹性铰链。这些弹性铰链平时像一般铰链一样自由转动，遇到干涉时可变形，从而克服干涉并储存能量，使机构在特定状态下保持稳定。基于这种设计，团队开发出两种多稳态机构（图1）。第一种多稳态机构基于 D&F-blockage，在展开和折叠构型下均能保持稳定，并可在两者之间存在一段准零能量的稳态区间。这种设计满足可展结构对折叠与展开构型的稳定需求，同时实现了连续切换。第二种多稳态机构基于 Cross-blockage，其准零能量稳态区间被能量势垒分割为两部分。越过势垒后，机构能在另一区间内运动，适用于需要在多种状态下执行不同任务的场景。 图1 两种多稳态机构的设计原理 为验证多稳态机构设计，团队构建了理论模型并开展实验测试。结果显示，多稳态机构的实际表现与理论分析基本一致：展开和折叠状态稳定，中间运动顺畅，弹性膜变形产生的能量也与理论计算结果吻合（图 2）。 图2 基于 D&F-blockage的多稳态机构的实验与理论结果对比 未来方向 这种多稳态机构在工程领域应用前景广阔。比如，为了节省运输火箭的存储空间，大直径空间天线通常折叠成紧凑构型进行运输，然后在轨道上展开成特定形状以执行各种任务。这种机构稳定的展开和折叠构型以及两者之间的连续切换能力，使其非常适合此类应用。未来，团队将拓展这种基于物理干涉的稳态设计方法，开发更多满足多样化需求的多稳态机构。 作者介绍 马家耀，天津大学菁英教授。于2011年在英国牛津大学获得工程科学博士学位，2007年在浙江大学获得土木工程学士学位。主要从事折纸结构和超材料的设计与分析。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。已在《Advanced Science》《Research》《Engineering》《JMPS》等期刊发表 50 余篇学术论文。 陈焱，天津大学讲席教授，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事空间机构、可展结构、折纸超材料以及机械智能机器人研究。曾在《Science》《Nature Communications》《PNAS》《AFM》《Research》《Engineering》等期刊上发表 90 余篇学术论文。曾获得腾讯科学探索奖资助。
Yan Chen, Kaili Xi, Xiao Zhang, Zhong You, Ming Li, Jiayao Ma*. A family of multi-stable mechanisms based on the threefold-symmetric Bricard linkage. Fundamental Research. 2025. |
