摘要：贻贝足丝是一种自然界存在的高性能生物黏附器,能够在不同环境下提供贻贝⁃固体表面之间的黏附作用.近年来,许多研究者开始关注贻贝足丝的组成和宏微观结构对其黏附性能的定量影响,为仿生黏附器件的设计寻找思路.该文结合3D打印技术、脱黏实验和有限元方法,系统研究了形状和几何参数对仿贻贝足丝结构脱黏模式和黏附性能的影响机制.该文结果揭示了贻贝足丝的脱黏机理,发现贻贝足丝存在最优的足丝方向角,使其黏附性能最佳,探究了同一角度下足丝线⁃斑块连接位置和斑块底部形状对其黏附性能的影响.最后,模拟了束状仿贻贝足丝结构在竖直拉力作用下的完整脱黏过程,所获得的锯齿状脱黏曲线表明束状结构具有相对稳定的抗脱黏能力.这些研究结果有助于理解自然界贻贝足丝的脱黏行为,可为仿生黏附器件的优化设计提供基础和参考.

摘要：系统研究了高强高导铜材料的强化机理和制造技术,提出了“增强强化相”(提高弥散强化相强度)、“超饱和固溶”(提高基体中弥散强化相浓度)、“柔性包裹铜晶界”(提高材料高温强度等新型强化机制)的创新思路,为同时具有高强度和高导电、高导热的铜基材料成份和显微组织设计提供了理论基础,并在材料学科权威期刊发表相关论文20余篇。发展出高强高导铜的大吨位、连续化、绿色制造技术,实现了全真空大吨位铬锆铜材料的规模生产,具有工艺简单、流程短,所制备的材料结构全致密、显微组织无偏析、性能均匀一致等优点。高强高导铜材料生产项目技术评估价为1500万元,采用混合实施模式(支付西安交通大学300万元现金,发明人技术入股1200万元),与陕煤集团合作成立了发明人技术入股、骨干团队现金参股的混合所有制企业。建成了一期千吨量级生产线,产品在多个国家龙头企业获得规模应用,并即将建设万吨量级生产线,对于国家高铁、芯片、发动机等多个领域关键材料的升级换代具有重要意义。

摘要：微机械结构的设计是MEMS电容式加速度计研究的重要内容。本文设计了一款四拱梁悬挂的MEMS电容式加速度计结构,建立了四拱梁悬挂结构的力学模型,对拱梁的结构参数进行了优化分析并获得了最优悬挂参数,接着利用COMSOL软件对微机械结构的自振特性进行了分析,并研究了静电对微结构自振频率的影响。研究表明,设计的四拱梁加速度计具有结构稳定、敏感方向位移灵敏度好、自振频率可调等特点,可为高性能的MEMS电容式加速度计的研制提供理论参考。

摘要：软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景.智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能.介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人.从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人.还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型.介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望.

摘要：弹性波超构材料是一种人为设计的周期结构材料,因其独特的力学性能而受到广泛的关注,在军用和民用领域都展现出重要而独特的应用前景.根据需求主动或被动地调控弹性波超构材料的力学特性,能够赋予其更强的适用性能.其调控的方式多种多样,其中运用压电材料进行调控是一种方便、速度快、精度高、体积小且价格低的调控方式.文章中首先简要地介绍弹性波超构材料、可调超构材料、压电材料和几种常用的分流电路的基本特性.然后依据压电材料在弹性波超构材料中应用形式的不同,将其分为两大类:第一类中,压电材料作为主体结构材料或主体结构的一部分组成材料;第二类中,压电材料主要以压电弹簧或压电片的形式贴附于主体结构的表面或内嵌在结构中,作为激励器或/和传感器.文章主要介绍两种类型弹性波超构材料的研究内容和发展历史,涉及带隙调控、波导、负折射、超传输、拓扑态、隐身以及外接分流电路等.最后总结压电弹性波超构材料研究的不足之处并给出相应的未来研究展望.

摘要：为了解决仿人机器人抗扰动站立平衡控制问题,提出了一种三连杆动力学模型作为仿人机器人的简化模型,该模型充分考虑了机器人腿部、身体和手臂的连杆分布质量,相比于传统的线性倒立摆模型或者飞轮倒立摆模型具有更高的精确性.基于这种模型,设计了仿人机器人的站立抗扰动平衡控制器.首先将仿人机器人模型简化为三连杆动力学模型,通过参数辨识方法获取结构化的参数,并经过线性化处理,将复杂的非线性动力学模型线性化.然后采用线性二次调节器(LQR)设计机器人的平衡控制器.实验在仿人机器人KONG-II上进行,通过将机器人踝关节设置成具有一定阻尼特性的欠驱动状态,来实现三连杆动力学模型的形式.实验结果对比了机器人采用两连杆动力学模型和三连杆动力学模型时的抗外力扰动性能,验证了本文方法的有效性和鲁棒性.

摘要：温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控,这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值.本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构,采用一维热压电半导体多场耦合方程,基于线性化的漂移-扩散(drift-diffusion)电流模型导出了问题的解析解.以两个局部温度载荷情况为例,数值分析了局部温度改变对压电半导体内位移、电势、电位移、极化强度、载流子分布等物理场的影响.对于温度改变较大的情况,在COMSOL软件的PDE模块中,采用非线性电流模型,进行数值模拟.研究结果表明:由于两个局部区域的温度改变,在半导体杆内形成了局部势垒和势阱,不同的温度改变量和作用区域会产生不同高度/深度的势垒/势阱,为基于压电半导体的热压电电子学器件结构设计提供了理论指导.

摘要：介电弹性体(dielectric elastomer)是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用neo-Hookean模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件.理论分析结果与实验结果相吻合.利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.

摘要：智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.

摘要：机器人或机电装备通常由电机模组、液压元件、齿轮和铰链等硬质部件构成,具有动力足、精度高等优点,但在实现低噪声、高安全系数与亲和性等方面存在挑战.受自然界生物体的柔软特性与高环境适应性的启发,设计制造软体机器人是近年来机器人领域的研究热点.作为软体机器人的核心构成部分,智能软材料可在外界不同刺激下产生不同响应,具有材料柔韧、生物相容性好、易于制备、价格低廉等优点,可广泛应用于机器人的设计与制造.几类典型的具备驱动功能的智能软材料与结构获得广泛的研究,包括气动软体肌肉、形状记忆合金/聚合物、离子交换聚合物、介电高弹体、响应水凝胶等.本文介绍了多种驱动类型的软体智能机器人研究成果,并从软体智能机器人的系统设计与力学建模两个方面进行了归纳分析与讨论.