一、引言 自然肌肉骨骼系統(tǒng)結(jié)合軟組織與剛性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兼具適應(yīng)性和精確性的多樣化力學(xué)行為，這為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了靈感。然而，現(xiàn)有多材料3D打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和多樣性上存在局限，其能實(shí)現(xiàn)的剛度范圍離散且較窄，材料各向異性也多由成分或打印技術(shù)固定，難以模仿自然系統(tǒng)的廣泛特性，而晶格超材料雖有通過單一基材實(shí)現(xiàn)連續(xù)、廣泛機(jī)械性能調(diào)節(jié)的潛力，但現(xiàn)有設(shè)計(jì)在剛度范圍和各向異性編程能力上仍受限于可創(chuàng)建的幾何范圍。 近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Josie Hughes教授團(tuán)隊(duì)在Science advances期刊上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果。提出了基于單一材料晶格幾何設(shè)計(jì)的編程方法，通過拓?fù)湔{(diào)節(jié)和疊加編程兩種幾何設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對晶格結(jié)構(gòu)剛度和各向異性的精確調(diào)控，從而創(chuàng)建出具有空間變化機(jī)械性能的三維結(jié)構(gòu)，可從類組織的柔順性到類骨的承重能力；同時(shí)制造出了可編程彎曲輪廓關(guān)節(jié)的肌腱驅(qū)動式仿肌肉骨骼機(jī)器人大象，為設(shè)計(jì)輕量化、適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人提供了解決方案。
論文標(biāo)題為"Lattice structure musculoskeletal robots: Harnessing programmable geometric topology and anisotropy"。
二 研究內(nèi)容
本研究受自然肌肉骨骼系統(tǒng)啟發(fā)，基于單一材料設(shè)計(jì)仿生物軟-硬機(jī)器人結(jié)構(gòu)的編程方法，該方法通過對晶格結(jié)構(gòu)中單元胞的幾何設(shè)計(jì)，精確調(diào)節(jié)剛度和各向異性，從而創(chuàng)建具有空間變化機(jī)械性能的三維結(jié)構(gòu)，適用于構(gòu)建類似骨骼系統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，基于這些方法制作了仿大象的肌肉骨骼機(jī)器人，其軟軀干利用拓?fù)湔{(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)和螺旋運(yùn)動，腿部利用疊加編程方法實(shí)現(xiàn)多種關(guān)節(jié)運(yùn)動，且整體機(jī)器人展現(xiàn)出良好的操作和承載能力。 圖1 晶格肌肉骨骼機(jī)器人。 圖1展示了晶格肌肉骨骼機(jī)器人的概念，包括大象肌肉骨骼系統(tǒng)的靈感來源、基于3D打印晶格的肌腱驅(qū)動肌肉骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人大象的外觀光學(xué)圖像、機(jī)器人軀干夾取花朵的放大圖像以及機(jī)器人抬腿踢保齡球的狀態(tài)，尺寸分別為10 cm、2 cm和5 cm。這些內(nèi)容呈現(xiàn)了受大象肌肉骨骼系統(tǒng)啟發(fā)設(shè)計(jì)的該機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件及功能表現(xiàn)，體現(xiàn)了其軟軀干的靈活性和剛性關(guān)節(jié)的承重能力等特點(diǎn)。 圖2 通過不同形式的拓?fù)渚幊趟苓_(dá)到的機(jī)械性能范圍。 圖2展示了通過不同拓?fù)渚幊绦问娇蓪?shí)現(xiàn)的力學(xué)性能范圍，其中包含生物系統(tǒng)中不同組織和結(jié)構(gòu)的楊氏模量、拓?fù)湔{(diào)節(jié)和疊加編程兩種幾何編程方法，以及不同幾何編程可實(shí)現(xiàn)的楊氏模量和剪切模量范圍，并用基于菱形的形狀突出了剪切模量和楊氏模量的各向異性范圍。這些內(nèi)容直觀呈現(xiàn)了生物系統(tǒng)的力學(xué)性能特點(diǎn)以及所采用的幾何編程方法能夠?qū)崿F(xiàn)的力學(xué)性能調(diào)節(jié)范圍，為晶格結(jié)構(gòu)肌肉骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了性能參考。 圖3 用于實(shí)現(xiàn)從一種幾何形狀到另一種幾何形狀的連續(xù)融合的拓?fù)湔{(diào)節(jié)方法。 圖3展示了拓?fù)湔{(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)從一種幾何形狀到另一種幾何形狀的連續(xù)融合過程，包括體心立方（BCC）和XCube兩種晶格類型及在無量綱楊氏模量和剪切模量上的各向異性，拓?fù)湔{(diào)節(jié)中BCC與XCube之間的拓?fù)滢D(zhuǎn)換示意圖，以及隨著拓?fù)渲笖?shù)增加，從BCC到XCube的幾何調(diào)節(jié)呈連續(xù)方式的表現(xiàn)。這些內(nèi)容呈現(xiàn)了拓?fù)湔{(diào)節(jié)方法通過調(diào)節(jié)拓?fù)渲笖?shù)實(shí)現(xiàn)兩種晶格單元連續(xù)融合的原理以及力學(xué)性能變化，該方法為如何實(shí)現(xiàn)剛度和各向異性的連續(xù)調(diào)控提供了研究思路。 圖4 由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控的多運(yùn)動型肌肉結(jié)構(gòu)。 圖4展示了基于拓?fù)湔{(diào)節(jié)方法設(shè)計(jì)的肌肉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動的情況，包括彎曲運(yùn)動、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動和螺旋運(yùn)動，每種運(yùn)動均呈現(xiàn)了肌肉結(jié)構(gòu)和肌腱布局的示意圖、運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)變形情況，以及彎曲運(yùn)動中不同肌腱長度對應(yīng)的彎曲角度、扭轉(zhuǎn)運(yùn)動中不同高度對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度等。這些內(nèi)容直觀呈現(xiàn)了拓?fù)湔{(diào)節(jié)方法在設(shè)計(jì)具有特定運(yùn)動功能的肌肉結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，體現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)拓?fù)渲笖?shù)可實(shí)現(xiàn)多樣化的變形行為，為軟連續(xù)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。 圖5 各向異性調(diào)節(jié)的疊加編程方法。 圖5展示了疊加編程方法對各向異性的調(diào)控，包括改變單元胞的方向和平移兩種疊加方式及其對立方體各向異性的編程作用，還呈現(xiàn)了通過方向疊加編程和平移疊加編程得到的立方體的力學(xué)性能，如特定立方體樣品的放大結(jié)構(gòu)、楊氏模量、剪切模量，以及疊加度或連接度增加時(shí)的立方體示意圖，直觀體現(xiàn)了疊加編程方法在調(diào)節(jié)晶格單元剛度和各向異性方面的作用。 圖6 用于多種運(yùn)動的疊加編程骨骼關(guān)節(jié)。 圖6展示了基于疊加編程方法設(shè)計(jì)的骨骼關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動的情況，包括平面關(guān)節(jié)的滑動、單軸關(guān)節(jié)的彎曲以及雙軸關(guān)節(jié)的雙向彎曲，每種關(guān)節(jié)均呈現(xiàn)了生物系統(tǒng)中關(guān)節(jié)的示意圖和機(jī)制、骨骼關(guān)節(jié)與肌腱布局的示意圖、運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)變形情況、工作空間，以及滑動距離、彎曲角度等隨肌腱長度變化的數(shù)據(jù)，直觀呈現(xiàn)了疊加編程方法在設(shè)計(jì)具有特定運(yùn)動功能的骨骼關(guān)節(jié)中的應(yīng)用，體現(xiàn)了通過疊加編程可實(shí)現(xiàn)多樣化的關(guān)節(jié)運(yùn)動行為。 圖7 用于多種運(yùn)動的疊加編程骨骼關(guān)節(jié)。
圖7展示了大象機(jī)器人的設(shè)計(jì)情況，包括軀干的梯度晶格結(jié)構(gòu)、帶電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人系統(tǒng)、腿部和足部的離散晶格結(jié)構(gòu)，還呈現(xiàn)了大象軀干的組合運(yùn)動性能以及大象腿部的兩種典型步態(tài)，直觀體現(xiàn)了該機(jī)器人融合拓?fù)湔{(diào)節(jié)和疊加編程方法設(shè)計(jì)的軟軀干與剛性腿部結(jié)構(gòu)，及其實(shí)現(xiàn)的多樣化運(yùn)動功能。
圖8 用于多種運(yùn)動的疊加編程骨骼關(guān)節(jié)。 圖8展示了大象機(jī)器人的能力演示，包括機(jī)器人的整體外觀和結(jié)構(gòu)組成、足部對不同地形和環(huán)境的適應(yīng)性、軀干通過組合不同部分從花瓶中抓取花朵的過程（接近、抓取、抬起），以及通過協(xié)調(diào)重心和步態(tài)實(shí)現(xiàn)仿生行走的情況（含有無重心偏移的對比、行走速度、不同步態(tài)下的重心偏移等），直觀呈現(xiàn)了該機(jī)器人在操作、適應(yīng)環(huán)境和運(yùn)動方面的綜合能力。 三 小結(jié)
原始文獻(xiàn)： Qinghua Guan, Benhui Dai, Hung Hon Cheng, Josie Hughes. Lattice structure musculoskeletal robots: Harnessing programmable geometric topology and anisotropy, Science advances, 2025, 11: eadu9856. 論文鏈接： https://doi.org/10.1126/sciadv.adu9856