高韧温敏复合水凝胶仿生变色鱼

韧性水凝胶具有超大弹性变形、高韧性、高透光性、良好的生物相容性等优势,在生物医疗、柔性电子、驱动传感、软机器等领域具有广泛应用前景.本文针对海洋生物的变色功能进行仿生模拟,合成了PAAMAlginate韧性水凝胶和PNIPAM温敏水凝胶,采用3D打印技术制作了仿生结构模具,通过倒模制备了高韧温敏复合水凝胶仿生鱼.制备的仿生鱼在常温下能与水体环境良好融合,在外界温度升高时可改变自身透明度和颜色,模拟海洋生物受外界刺激后的伪装行为.另外,该仿生鱼具有高韧性,在受到弯曲、扭转、冲击及印压作用后仍能恢复初始形状,无明显损伤.本文设计的高韧温敏复合水凝胶在软体仿生领域极具潜力,可为未来共融机器人的研发提供新思路.     

仿生软体吸附机器人:从生物到仿生

生物吸附是自然界中一种典型的运动模式,许多生物在进化中由于生存背景和物种的不同演变出各种各样的吸附系统,吸附系统是功能系统,其目的是让生物暂时或永久地附着在基体或另一个生物体上,防止脱落.生物系统的吸附机制可分为互锁、摩擦和黏结.黏结可进一步分为干吸附(范德华力)、湿吸附(毛细作用)、负压吸附、胶合(黏液),它们可独立或同时作用.基于自然界丰富的吸附方式,本文详细介绍了陆上/水下典型生物(壁虎、树蛙、章鱼、鮣鱼)的吸附机理,并对清道夫、海胆、蚍蜉幼虫、跳蛛、叶甲虫幼虫等生物的吸附机理进行简述.概述依据上述特定吸附机理而设计的仿生吸附装置,从仿生软体吸附机器人、仿生软体吸附设备、仿生吸附软材料结构等方面,对仿生吸附的研究成果进行列举,并提及部分性能研究和应用前景.以仿生鮣鱼吸盘为例,阐述了如何模拟生物系统制作仿生样机,并验证其性能,挖掘其潜在应用.对生物吸附方式分类归纳,总结被其带动的仿生吸附研究意义、发展现状和面临的问题,并指出仿生软体吸附机器人吸附机理细微化、结构刚柔耦合、仿生复合软材料应用、柔性驱动-传感-控制一体化、多学科交叉融合的发展方向.     

电活性介电弹性体的本构理论和稳定性研究进展

电活性聚合物在外加电场诱导下能够改变形状或体积,不施加电场时,它又能恢复到原来的形状或体积,具有特殊的力学及电学性能.介电弹性体是制造驱动器、传感器、振动器和能量收集器等转换器的最有潜力电活性聚合物材料之一,在人工肌肉、智能仿生、航空航天、机械、生物等领域都有广泛的应用潜力.本文首先简要综述了介电弹性体及其应用,然后重点介绍了介电弹性体EAP材料的理论研究进展,其中包括本构关系、机电稳定性、突跳稳定性、超大电致变形机理、许用区域描绘及其应用器件的失效分析.本文最后对介电弹性体电致活性聚合物软质材料相关研究进行了展望.     

仿尺蠖步态的爬杆机器人的动态仿真研究

以仿尺蠖步态的爬杆机器人为研究对象,对其机械结构及行进步态进行了分析,并进一步利用ADAMS软件建立了该仿生机器人的虚拟样机,对该仿生机器人进行了动态模拟仿真实验。研究了在爬杆过程中仿生机器人头部与尾部的速度及位移随时间的变化关系,以及该仿生机器人对变直径工作杆的适应能力,同时分析了不同摩擦材料制成的自锁机构对机器人运动特性的影响。仿真结果表明：该仿生机器人对于直径在一定范围内变化的工作杆有着较好的适应能力,且自锁机构的静摩擦系数为影响该机器人运动特性的关键参数。     

仿生触觉传感器研究进展

触觉传感器是仿生皮肤丰富感知能力特点的柔性电子器件和系统,在机器人触觉系统和人体健康检测两大领域有重要应用前景.前者赋予机器人触觉等通过非视觉方式感知环境的能力,后者通过柔性器件贴附在皮肤上实现对脉搏、血压、心电、肌电等生理健康参数检测.从柔性、自愈合电子材料的研究,到器件结构设计,再到多功能系统集成等几个方面,仿生触觉传感器件和系统不断迭代发展,凭借其柔软、可拉伸的特性,赋予人机交互器件的穿戴舒适感,也让许多传统的监测或佩戴设备更便携、更日常化,在医疗检测设备、可穿戴式电子设备、健康大数据等领域都展示出巨大的潜力和应用前景.本文回顾了近年来仿生触觉传感器领域的研究进展,并展望其未来发展和应用方向.     

液态金属双流体机器人

自20世纪以来,机器人不断被广泛应用于生产制造、生活服务等诸多领域.传统刚性机器人受自由度限制,难以适应非结构化动态未知的复杂环境,而柔性机器人由于自身的灵活性以及对环境的适应性,在近年来引起广泛关注.室温液态金属兼具金属和流体的良好特性,如优良的导热性、导电性、流动性以及低毒性;同时,这类材料由于自身的柔性,在机器人领域的应用备受关注.典型的液态金属驱动方式主要有电驱动、磁场驱动和化学驱动,然而,它们大多需要在溶液环境中进行.从新的角度出发,本文提出了一种基于镓基液态金属双流体驱动的滚动机器人,通过液态金属在螺旋管中的运动实现对装置重心的改变,由此推动整个装置实现快速地滚动前行.这种双流体驱动方式利用液态金属密度大的特点,使得相应的液态金属机器运动摆脱了之前所依赖的溶液运行环境.本文针对基于镓基液态金属的双流体驱动,包括热驱动和化学驱动,从理论上分析了这两种不同的动力源工作方式,具体设计了原型实验装置.所开展的一系列概念性实验澄清了影响装置运动的各种因素,证实了双流体驱动方法的可行性和良好前景,可望为室温液态金属在机器人领域的应用提供一种新的思路.     

具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人的移动机构与地面约束关系分析

针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,提出并研制出一种对非结构环境具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人（NEZA-I）.NEZA-I由控制系统单元、尾轮单元和两个相同的可变形轮-履复合（Transformable wheel-track,TWT）移动模块组成.每个TWT模块能够在一个驱动力的作用下以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式（即＂轮式-履带式互换＂）和调整运动姿态（即＂改变履带几何形状＂）.本文旨在介绍NEZA-I机器人的基本结构、驱动系统原理、运动模式及姿态,分析TWT模块内部构件之间运动关系,建立NEZA-I在一些典型的运动情形下移动机构与地面之间的约束关系的数学模型,探究TWT模块内部机构参数对机器人环境自适应性能的影响,优化机构参数.实验表明：NEZA-I移动机构平台具有较强的环境自适应性和越障性能,机构参数的优化结果是合理的,所建立的相关数学模型及参数的分析方法是正确的.同时也验证了NEZA-I自适应移动机构平台概念的可行性,从机构学的角度为机器人环境自适应性的研究提供一个思路.     

四足机器人高机动越野技术研究

四足机器人是面向复杂环境移动作业的重要装备,其越野技术是当今机器人和智能领域发展的重点和热点.本文围绕四足机器人越野行走时遇到的沉陷、冲击、滑移与磕碰问题,研究四足机器人与地面作用的力学关系,提出基于足壤地面力学和机器人全身动力学联合的四足机器人优化设计方法.通过对足式越野行走的“支撑力-附着力-平衡力”三要素进行理论分析与计算,探讨小惯量多级缓冲仿生腿与基于优化支撑比足端力分配机制、自增力仿生足机构与陡坡的前后肢附着力分配方法、基于地形估计的支撑域稳定控制与基于安全落足点的变步态轨迹规划等关键技术及其解决途径,并开展了实验验证.     

聚合物捻卷型人工肌肉及其在软体机器人领域应用的研究现状

人工肌肉是一种新型的仿生柔性驱动器,具有显著柔顺性和柔软度,能够安全地与人体及其他生物环境进行交互.鉴于现有的人工肌肉存在负载程度低、迟滞效应大、寿命短等局限,一种基于尼龙等聚合物纤维进行加捻卷绕制作的人工肌肉(twisted and coiled polymer fiber, TCPF)应运而生.这种人工肌肉可产生超过40%的变形量,承受载荷的能力达到同等重量和长度人体肌肉的100倍之多,并且具有高达5.3 kW/kg的能量密度,迅速成为当前学术研究的热点问题.本文综述TCPF人工肌肉的发展历程和研究现状,着重围绕TCPF人工肌肉的制备工艺和驱动原理、新材料和结构、驱动方式的改进以及在软体机器人领域的应用等方面进行介绍,分析了现有研究中存在的不足和瓶颈问题,并对未来的发展趋势进行了展望.     

介电泳技术在生物信号检测和相分离阻变材料中的应用

介电泳是操纵微纳米级粒子的强大工具,已经在生物细胞和无机微粒的分离、检测、操控方面得到了广泛的应用.本文突破对介电泳技术的传统定位,简要介绍介电泳效应的两例新的应用.首先是和新兴的纳米孔技术结合,利用介电泳的富集效应,在微纳环境下对单分子行为进行操控,解决目前纳米孔基因测序面临的通量低等难题.其次在某些相分离固体材料中,介电泳可以通过调节电子相的几何结构引起渗流,从而实现电致阻变效应.这些研究不仅扩大了介电泳技术的应用范围,且具有多学科技术交叉融合的特点,为生物检测技术的开发创新以及新型功能材料的设计提供了新的思路.     

大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.     

基于介电弹性软体材料的能量收集:现状、趋势与挑战

介电弹性体作为一种新型电活性软体功能材料,因具有柔性好、变形大、比能密度和能量转换效率高等多项优点,在面向人体及自然界的能量收集领域具有巨大的应用潜能.本文综述了国内外有关介电弹性体用于能量收集的研究现状及主要进展,着重围绕DE能量收集行为机理及模型描述、材料性能对能量收集的影响、能量收集器件结构设计、电路设计及相关产品的开发与应用等研究内容,分析了当前研究中存在的主要问题及挑战,并对该课题未来的发展趋势及研究重点进行了展望.     

电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理研究

电渗驱动纳米压印是一种新型的纳米压印工艺,它在大面积纳米压印、高深宽比微纳结构制造,尤其是在易碎衬底大面积图形化方面具有非常突出的潜能和优势.但是,电渗驱动纳米压印不同于现有的"压力驱动"纳米压印和"电毛细力驱动"纳米压印,已有的纳米压印聚合物流变填充基础理论和相关研究结果不再适用.本文开展了电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理、影响因素和规律的研究.基于微流体电渗驱动原理,建立了电渗驱动纳米压印驱动力体积力、填充速度以及填充时间的理论模型.利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件,揭示了液态聚合物在模具型腔动态填充的过程,工艺参数、模具几何特征、聚合物材料特性等因素对于纳米压印流变填充的影响及其规律.本研究为电渗驱动纳米压印技术奠定了理论基础,并为电渗驱动纳米压印工艺优化和和压印装备开发与性能的改进提供了重要理论支撑和方向性指导.     

用于光通信与互连、集成差分光电探测器的标准CMOS全差分跨阻放大器

基于标准CMOS技术,提出和研究了一种用于光通信与光互连、集成差分光电探测器的全差分跨阻放大器(TIA).为实现全差分特性,提出了一种新型全差分光电探测器,其作用是将入射光信号转换成一对全差分光生电流信号,并保证电路结构和模型的全差分对称性.理论分析和仿真结果均表明:与常规的、集成光电探测器的差分跨阻放大器相比,该全差分跨阻放大器的带宽更高,灵敏度也同时被提高一倍.基于该集成差分光电探测器的全差分跨阻放大器,采用特许3.3V,0.35μm标准CMOS工艺设计和制造了一种单片全差分光电集成接收机.其跨阻增益为98.75dBΩ,从1Hz至-3dB频率点间的等效输入积分噪声电流为0.334μA.该光接收机采用了单一的3.3V电源;跨阻放大器与限幅放大器的总功耗为100mW;50Ω输出缓冲器的功耗为138mW.对于850nm的入射光、-12.2dBm的峰峰光功率和231–1位伪随机二进制序列输入信号,该光接收机达到了1.1GHz的3dB带宽和1.6Gbit/s的数据率.     

人工智能领域关键技术挖掘分析

人工智能已成为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量和战略性技术。本文采用无监督聚类、复杂网络结构洞和突发检测算法对人工智能高水平会议论文进行深度挖掘分析,梳理人工智能领域的关键技术,全面刻画人工智能领域整体技术结构,洞悉关键技术分布和研发态势,明确人工智能领域代表性国家与机构。研究发现:人工智能领域共包含14个大类、132项热点技术,主要分布在机器学习、自然语言处理、计算机视觉和机器人等子领域,如一眼模仿学习、智能自动问答、光度立体视觉、多传感器融合等;共性技术则主要分布在机器学习子领域,分类、回归、搜索等基础算法以及优化理论方法等共性技术为其他子领域研究实践奠定坚实基础;新兴技术主要集中在深度学习方面,生成对抗网络和注意力机制是其中的典型代表,此外还包括强化学习、自主代理和多代理系统等。在人工智能领域代表性国家与机构方面,美国在各热点技术大类下的发文量均位居全球首位,中国整体仅次于美国,但在强化学习、机器人、智能多代理系统研究方面发文量排名相对靠后;国内机构中,中国科学院在多个热点技术大类下的发文量均位居全球前列。     

面向数据驱动材料设计的专用数据库及信息管理系统

随着材料设计逐渐向"数据驱动"的方向发展,数据集的规模和质量实际上成为各类智能算法发挥效益的瓶颈.文献报道或尚未公布的海量实验数据是构建高质量数据集的宝库,但长期以来缺乏用于存储、整理、产生有关数据集的专门数据库或数据管理系统.本文以高温永磁合金代表体系Sm-Co基多元合金为例,介绍了本课题组构建的集成数据采集、数据标注、数据抽取与转换的一体化智能数据库及其管理系统.对材料的元素成分、物相组成、晶体结构、制备工艺、性能及其测试方法等各方面的数据建立了关系模型,实现了相关数据的逻辑关联并高度结构化,从而可根据具体的材料设计需求检索出高质量的数据集.建立的信息管理系统可实现多用户在线标注数据,具有数据录入准确高效、数据统一规范、最大程度消除冗余信息等特点.应用实践表明,建立的专用数据库及信息管理系统在数据驱动材料设计研究领域可发挥重要作用.     

超灵敏、宽频域新型柔性仿生振动传感器

信息化社会对电子产品的柔性化、便携性(轻薄、可折叠、可穿戴)的需求日益增加,最近的研究表明,利用碳纳米管优异的电学、力学特性和纳米尺度效应而设计出的柔性纳米传感器表现出更高的灵敏度、更快速的响应-恢复时间等优异的特性.本文基于多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotube,MWNT)复合材料,采用一种简单喷涂成膜的方法制备了具有空腔结构的柔性仿生振动传感器,该柔性仿生振动传感器时间分辨短(22.7μs),信噪比高(55 dB),检测范围宽(20~22000 Hz),可以高质量地实时检测并记录声音信息,在声音检测以及构筑电子耳膜来治疗耳膜损伤导致的耳聋等方面提供了新的可能性方案.     

仿生蜻蜓脉膜折纸结构的压缩性能研究

折纸结构具有折叠诱发的独特力学特性,在机器人、航空航天、材料科学等诸多工程领域有广泛的应用前景.基于膜结构设计的Kresling折纸承载能力小、折叠路径不稳定的不足,本研究利用蜻蜓脉膜的刚柔耦合结构进行仿生设计.以软质硅胶为膜、硬质树脂内嵌为脉,形成柔性软膜与刚性内嵌互相包被的二级刚柔耦合类Kresling折纸结构.该折纸结构具有变刚度特性,有优异的折叠特性和较高的折叠比.准静态压缩试验结果表明,有内嵌折纸结构折叠路径单一稳定,轴向压缩量与层间转角呈现单自由度结构的特征.相对于无内嵌折纸结构,刚性内嵌限制了峰折折痕的屈曲,可显著提升其力学性能,其中n=4的构型中有内嵌结构支反力极大值提高了60.87%.同时,其支反力具有迟滞性,折纸结构具有稳定的滞回耗能特性,在1000次加载-回复循环后仅下降3.60%,未发生显著降低.     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

电场驱动喷射沉积3D打印

多材料多尺度3D打印是当前增材制造的前沿方向、研究难点和亟待突破的关键技术,它在组织工程、新材料、新一代电子产品、OLED、印刷电子、软体机器人等诸多领域有着非常广泛的应用,但是现有的增材制造技术在实现多材料跨尺度3D打印面临许多挑战性难题.材料喷射沉积成形技术在实现多材料多尺度3D打印具有非常突出的优势和巨大的潜能,本文提出一种电场驱动喷射沉积3D打印新方法,它突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、喷嘴材料、跨尺度制造等方面的一些不足和限制性,尤其是结合多喷头技术,能够实现跨尺度多材料复杂三维结构一体化制造.首先,阐述了该方法的基本原理,并通过理论分析和数值模拟揭示了其成形机理;随后,通过系统的实验研究,验证了电场驱动喷射沉积3D打印对于衬底(或者已打印结构)材质、打印高度和位置、导电和非导电喷嘴、打印材料普适性,以及所提出的两种工作模式在实现跨尺度制造方面的可行性和有效性;最后,通过4个典型打印案例,展示了提出的电场驱动喷射沉积3D打印在实现异质、跨尺度复杂三维结构化制造的能力和突出优势,证明了它在实现多材料多尺度3D打印方面的可行性和有效性.本研究为探索低成本多材料跨尺度3D打印提供了一种全新的解决方案.