可变形的智能薄壳结构，让机器人灵活应对多种环境变化

### 引言
能响应外部刺激改变形状的“变形材料”具有极强的环境适应性，在柔性机械超材料、可重构软体机器人、自适应医疗设备等领域应用广泛。与刚性结构相比，柔性结构可实现连续变形，理论上拥有无限自由度，能完成弯曲、拉伸、扭转等多种变形组合，并通过柔性活性材料响应外部刺激实现自适应变形。
在众多可重构柔性结构中，双稳态和多稳态系统（如捕蝇草、Kresling折纸）因能在多个稳定状态间快速可逆切换而备受关注。它们通过储存弹性应变能，无需持续外力即可锁定在两种或多种稳定形态。双稳态超材料已用于高效抓取、跳跃、游泳等，但多稳态系统（可在两种以上稳定形态间转变）在多功能操作和地形自适应运动方面潜力更大，却受限于运动模式开发不足和驱动控制复杂等问题。

### 研究成果
本研究开发了一类基于可展曲面的多稳态薄壳超材料结构，通过切割并粘接带图案切口的聚合物薄片，实现可编程预储存弹性能，具有极高的形状转换效率。
- **结构设计与稳定形态**：单个超材料单元通过调整粘接距离（d），预储存弹性能从0.41 mJ增至6.54 mJ，稳定形态数量从4种增至20种（形状转换效率η=20，是现有五稳态折纸单元的4倍）。四个单元组成的网络结构虽受边界约束，仍可实现超256种稳定形态（η≥64）。
- **形状转换机制**：通过“动态虚拟折痕”理论解释变形过程。基于离散可展曲面理论和有限元模拟，识别出三种虚拟折痕（侧边水平折痕、角落倾斜折痕、中心倾斜折痕），其折叠驱动形态转换。例如，推动特定区域可使结构在16种对称稳定形态间切换，转换路径受能量壁垒控制，部分转换仅需0.2-0.3 mJ低能量。
- **网络组装**：单元可通过对齐、平行、垂直等方式组合成1D或2D网络，进一步提升可重构性。如两单元平行粘接可产生18种形态，四单元正交网络可达256种形态。

### 应用展示
- **无创万能抓取器**：利用单元在两种稳定形态间的可逆转换，制成无需持续外力即可稳定抓取的装置。能无创抓取豆腐等易碎品、沙子等颗粒材料，负载重量比达28.5，释放仅需微小外力。
- **磁控多步态跳跃/爬行机器人**：集成磁弹性胶带，通过远程旋转磁场实现8种稳定形态转换，进而实现两种跳跃步态（跳跃高度58-87 mm）和两种爬行步态（速度0.26-2.18体长/秒）。可通过切换步态适应波纹表面、狭窄空间等复杂环境。
- **双响应可控爬行机器人**：串联两个单元，集成压电薄膜（PVDF）和磁致动器，实现磁-电双驱动。通过改变体态和驱动电压/频率，可完成前进、后退、转向等动作，成功在T型狭窄空间内导航。

### 讨论
该超材料结构通过切割-粘接薄片预储存弹性能，借助动态虚拟折痕折叠实现高形状转换效率，且低能量壁垒使其易于与柔性致动器集成。虽已实现多功能操作和运动，但仍存在未充分利用全部形态、对称结构限制功能多样性等问题。未来可优化驱动设计、打破对称性以拓展应用。