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  雙穩(wěn)態(tài)之間的彈突跳變現(xiàn)象和結構在自然界中隨處可見：例如快速閉合葉片的捕蠅草、快速閉合喙突的蜂鳥等。利用雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)的結構和材料設計實現(xiàn)高性能的軟驅動器和軟體機器人有著廣闊前景和顯著優(yōu)勢。雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)之間的彈跳突變結構有助于軟體機器人實現(xiàn)快速奔跑或游動、自適應快速感知和抓取、形貌重構和無電子化的邏輯門和控制系統(tǒng)。該論文歸納總結了近年來雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)結構應用于軟體機器人中的最新研究進展，對于不同的結構設計原理和多種先進材料及其驅動方式進行了詳細的例述和分析，并對當前挑戰(zhàn)和未來發(fā)展等方面進行了展望。

圖1 雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)柔性驅動器的構建原理、驅動模式以及應用

  文中，作者首先分類討論了構建雙穩(wěn)態(tài)柔性驅動器的基本設計原理和結構，其中包括一維梁架結構、二維彎曲薄板結構、三維穹頂狀結構、柔性鉸鏈機構、折紙結構以及球囊結構。在此基礎上，簡要回顧了幾種代表性驅動材料的優(yōu)缺點，其中包括氣液驅動彈性體、電活性聚合物和激勵響應聚合物，例如形狀記憶聚合物、液晶聚合物、水凝膠、磁感應彈性體和扭曲人造肌肉。然后論述了結合不同材料性能和各類雙穩(wěn)態(tài)結構設計在軟驅動器和軟體機器人的廣泛應用。

1. 一維梁架雙穩(wěn)態(tài)驅動器

  原則上，由于梁屈曲現(xiàn)象，一維梁架結構可實現(xiàn)預儲能和雙穩(wěn)態(tài)之間的彈性跳變，并結合有線或無線控制，例如在光、熱、電場和磁場的驅動下，實現(xiàn)連續(xù)性拱形形變，基于其二維彎曲變形，實現(xiàn)快速爬行 （陸地或水中），抓取等復雜機器人動作。

圖 2：一維梁架結構雙穩(wěn)態(tài)柔性驅動器及軟體機器人示例

2. 二維彎曲薄板雙穩(wěn)態(tài)驅動器

  二維彎曲薄板雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器受到卷尺或捕蠅草雙曲面的啟發(fā)，由于在變形后的穩(wěn)態(tài)不需要額外供能，其可用于低能耗的抓取機構來實現(xiàn)快速打開和閉合。

圖 3：二維彎曲薄板雙穩(wěn)態(tài)軟驅動器及軟體機器人示例

3. 三維穹頂狀雙穩(wěn)態(tài)驅動器

  和前兩種驅動器相比，穹頂雙穩(wěn)態(tài)結構可實現(xiàn)更大的三維屈曲變形，大面積的快速內外翻折有利于其和流體的高效相互作用和復雜的氣流通道。利用不同的驅動模式，可實現(xiàn)仿生水母水下機器人，跳躍式軟體機器人和流控邏輯通路。

圖 4：三維穹頂狀雙穩(wěn)態(tài)柔性驅動器及軟體機器人示例一

圖 5：三維穹頂狀雙穩(wěn)態(tài)柔性驅動器及軟體機器人示例二

4. 柔性鉸鏈機構及折紙機構雙穩(wěn)態(tài)柔性驅動器

  柔性鉸鏈機構結合傳統(tǒng)剛體結構和柔性結構來實現(xiàn)完全或部分的彈性變形，利用彈性失穩(wěn)釋放的勢能實現(xiàn)水面跳躍，快速奔跑或水下游動。此外，基于幾種經典的折紙結構，例如克雷斯林圖案（kresling），可實現(xiàn)結構的多穩(wěn)態(tài)切換和可編程變形。

圖 6：柔性鉸鏈機構雙穩(wěn)態(tài)驅動器及軟體機器人示例

圖 7：折紙結構雙穩(wěn)態(tài)柔性驅動器及軟體機器人示例

5. 球囊雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)柔性驅動器

  大多數(shù)氣動式軟體機器人往往受限于復雜的電子控制系統(tǒng)，龐大的氣泵和供能系統(tǒng)。利用充氣球囊的非線性失穩(wěn)膨脹，可實現(xiàn)軟體機器人的快速響應和去電子化。

圖 8：球囊雙穩(wěn)多穩(wěn)態(tài)柔性驅動器及軟體機器人示例

  文章以Bistable and Multistable Actuators for Soft Robots: Structures, Materials, and Functionalities為題發(fā)表在Advanced Materials上。該論文共同第一作者為團隊博士生赤銀鼎（博士生）、李艷濱、博士后趙耀。其它合作作者有博士生洪堯燁以及同濟大學唐一超教授。尹杰教授擔任通訊作者。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110384