近日，中科院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所微创中心李英田副研究员课题组，与北京大学、北京航空航天大学、新加坡国立大学和瑞士洛桑联邦理工学院，在Cell子刊Cell Reports Physical Science上合作发表了题为“Ultra-tunable bistable structures for universal robotic applications”的文章。深圳先进院蒋永康博士后为第一作者，李英田副研究员为唯一通讯作者，深圳先进院为本文的第一单位与通讯单位。
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双稳态结构具有快速响应和力放大能力。利用稳态特性和不稳定性来快速释放双稳态结构中存储的能量可以提升机器人的诸多性能，例如高速运动、自适应传感和快速抓取等。然而，目前关于双稳态结构的研究主要集中在它们的稳定状态，却缺少对于他们中间状态的研究。
为此，研究团队提出了一种能量壁垒可编程和触发力跨数量级可变的超可调双稳态结构，并可以根据不同应用场景而进行几何构型、尺寸、材料和驱动方法的定制化设计。该双稳态结构通过将片状材料折叠成为特定的折痕图案，具有一个稳定状态、一个亚稳定状态和数量诸多的中间状态。当双稳态结构从亚稳态转变为稳态时，存在一个临界点，此时存储的应变能达到最大值，同时结构会发生失稳，快速跃变至稳态。而这项工作，主要研究的是在双稳态结构达到其临界点之前的能量壁垒可编程的诸多中间状态。
为了证明所提出结构的可调性，研究人员进行了一系列实验，实现了单体双稳态结构的触发力可调整为最大值的 0.1%，同时，使用不同设计参数制成的机械抓手能夹持的重量差别可达107倍。此外，为了验证该结构在机器人应用上的潜力，研究团队开发了不同的原型样机，包括机械捕蝇草、机器抓手，弹跳和游泳机器人、温敏开关和分拣系统等。通过对于原型样机的测试，团队发现：具有超灵敏“花蕊”的机器人捕蝇器可以在 10 ms内完成蜜蜂的捕捉、双稳态抓手可以牢牢抓住到高速射来的乒乓球（10m/s）、弹跳机器人的跳跃高度可达机器人身高的24倍以上，等等。
该工作所展示的双稳态结构具有优越的可调特性与广泛的应用潜力，可以拓展双稳态结构设计的前沿，并为机器人、生物医学工程、建筑和动态艺术等领域的未来设计开辟新的道路。
超可调双稳态结构的示意图
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