供稿|王晶琳，邱麗芳 / WANG Jing-lin, Qiu Li-fang

提起柔順領域，或許大家都有些陌生，但是實際上我們在日常生活中卻頻繁地和具有“柔順”特點的物品打著交道。如圖1所示，“百折不撓”的洗發(fā)液蓋子、簡單實用的折疊發(fā)夾、彈性十足的運動鞋底等都讓我們享受著“柔順”帶來的便捷。它不再只是機械字典里的一個高冷詞匯，而是在實際生活中隨處可見的，并且往往能夠通過屢次“變身”來顯示“柔順”的價值。與傳統(tǒng)機械不同，柔順機構是積極地利用機構中構件自身的彈性變形來完成運動和力的傳遞及轉換的。

柔順機構

自然界中很多生物都為“柔順”的衍生發(fā)展帶來了靈感。如圖2所示，鳥類之所以能自由地飛翔，正是利用了翅膀的柔順性。因此，柔順機構在仿生領域也有著廣闊的應用前景[1]，可用來模仿自然界中生物的關節(jié)和肌肉等。例如仿壁虎機器人[2]、微型仿生撲翼飛行機器人[3]、微型仿生魚[4]、微型機器蜜蜂[5]等。

盡管現(xiàn)代科學家對柔順機構的研究歷程并不悠久，但是早在遠古時期柔順機構便得到了應用。例如人類的狩獵活動利用的弓箭。弓箭作為一個簡單的柔順機構，能夠將弓和弦的彈性變形轉化成推動箭矢的動力，造成巨大的殺傷力，從而捕獲大型獵物。隨著時代變遷，柔順機構開始以更多樣的形式出現(xiàn)在人們的視野中，研究者已經將研究成果成功地應用于各種領域。

機械領域

剝線鉗是一種用于剝去電線絕緣覆皮的手持工具，如圖3所示。然而這種剛性結構的剝線鉗卻存在一些問題，例如成本較高、結構復雜、摩擦磨損等。由于剝線鉗在運動過程中自由度會發(fā)生變化，因此將變胞變換的思想與柔順五桿機構相結合，設計了一種新型的柔順剝線機構。圖4所示為聚丙烯加工的柔順剝線機構樣機剝離電線覆皮的過程?？梢钥闯?，轉換得到的柔順機構不僅結構形式得到了大大簡化，零件數(shù)目有效減少，并且由于無需剛性運動副，從而妥善解決了機構的潤滑問題，操作起來也十分方便[6]。

圖1 “柔順”在生活中的簡單應用

圖2 鳥的翅膀——柔順性的展示

圖3 常用剝線鉗

圖4 聚丙烯柔順剝線鉗剝離電線覆皮的過程

航空領域

分布式全柔順機構通過自身的機構變形可實現(xiàn)連續(xù)平滑的形狀變化，并且能夠使機構應力集中現(xiàn)象得到有效緩解，因此對自適應形狀飛機機翼和柔順天線放射器等需要形狀變化的系統(tǒng)而言尤為適用。在實際中，為促進可控性的提升、減少能耗、簡化結構，Kota教授和Kikuchi教授將柔順機構應用到飛機機翼的設計中[7]，如圖5所示。

圖5 試飛中的柔順機翼

醫(yī)學領域

目前對于外骨骼和肌肉的研究已經驗證了提高柔順性、耐磨性以及減輕整體重量的可行性。柔順機構中的鉸接多剛體系統(tǒng)為外骨骼設計提供了輕量級、剛度可調節(jié)的方案。在驗證方案的過程中，為了更接近實際，研究人員引入了平行耦合柔順板機構(Parallel Coupled Compliant Plate Mechanism，簡稱PCCP)以及松緊帶彈簧機構(Pennate Elastic Band Spring，簡稱PEB)充當肌肉，這兩種機構為用戶提供了一定的膝關節(jié)剛度和柔度選擇范圍，并能進行自主調節(jié)，無需使用有源器件或有源傳感器[8]。圖6和圖7分別為構建的彎曲模型以及膝關節(jié)在有肌肉和無肌肉兩種情況下的實物樣機。在這里，柔順機構成為了柔順膝關節(jié)假肢的重要設計構件。

圖6 平行耦合柔順板機構的梁彎曲模式與固定導向彎曲模式

圖7 骨模型測試

折紙機構

折紙藝術作為傳統(tǒng)藝術之一，可以通過各種各樣的折痕構造出不同的藝術構型，這使得由二維到三維的幾何創(chuàng)造成為可能。折紙的折痕可以看作是紙張沿折痕軸剛度的減小，因而可等效為一個柔順機構中的柔順鉸鏈，而紙張則被視為剛體[9]。

由此形成的折紙機構便是通過簡單的元素組合以達到實現(xiàn)復雜的空間運動的目的。折紙靈感可以用于制作精美的藝術品。圖8所示為一種紙雕賀卡，這樣的紙面彈出機構，收起狀態(tài)時如同一片信箋便于存放，對內部結構起到很好的保護作用，而在展開狀態(tài)之下能夠將侏羅紀時代的自然世界栩栩如生地展現(xiàn)出來。

圖8 一種簡單的紙雕賀卡[10]

除此之外，研究者還能夠將數(shù)學抽象模型附加到折紙靈感之上形成相應的機械結構。如圖9所示，Howell等研究出來的用于航空航天的可折展太陽能電池陣在非工作狀態(tài)下可以折疊起來從而節(jié)省發(fā)射及運輸成本，而進入太空指定位置后，折疊的太陽能電池陣可以迅速外延伸展，將太陽能轉化為電能為航天器供電。

微機電系統(tǒng)

微/納米技術重要的研究方向之一便是微機電系統(tǒng)(Micmelectmmechanical Systems，簡稱MEMS)，這種智能微型裝置集成了傳感技術以及微電子控制技術。它的發(fā)展使得微尺度領域的研究又上升到了一個全新的層次[11]。MEMS系統(tǒng)主要包括微型傳感器、執(zhí)行器、微處理電路、微能源四部分。這一系統(tǒng)可以采用光、電、磁等多種方式與外界達成通信聯(lián)系，并顯示相應的輸出信號，另外也能夠與其他系統(tǒng)協(xié)同工作構成一個更完整的系統(tǒng)[12]。

微電子學制造領域的飛速發(fā)展促進了MEMS研究的進步，它將普通芯片的機械可動結構和電氣特性有機結合起來，進行批量生產，大大降低了成本，并且微電子器件的靈敏度也得到了提高[13]。MEMS的研究中，除機械技術外，還交叉融合了包括材料科學、生物醫(yī)學、化學、物理學、電子技術等在內的多個學科技術，有著十分廣闊的應用前景。

圖9 可折展太陽能電池陣

目前，科學家正嘗試將全柔順機構應用在MEMS產品中，這樣不僅可以解決傳統(tǒng)機構中的間隙與摩擦等問題，而且也保證了精度，減少了裝配時間，節(jié)約了裝配成本，對于MEMS設計起著舉足輕重的作用[14]。

與傳統(tǒng)意義上的產品相比，非線性表面力會對MEMS產品的性能產生影響，這是過度追求尺寸效應所帶來的負面效果。為了彌補這一不足，可以采用柔順機構的設計思想，積極利用它的雙穩(wěn)態(tài)特性和定常力特性。楊百翰大學研制出的各種微型開關、微型閥等機構都是雙穩(wěn)態(tài)特性應用的實例[15]。如圖10所示，賓夕法尼亞大學的Ananthasuresh教授還設計出了一些微型夾鉗[16]。圖11是一種微型機器人。

圖10 微型夾鉗

基于MEMS開發(fā)的微型武器，與傳統(tǒng)武器相比，具有小型、不易被發(fā)現(xiàn)和行動靈活的特點。圖12所示為佛羅里達大學研究過的一種固定薄膜翼微飛行器[17]，在這種飛行器上搭載一些微型偵查設備就能夠更穩(wěn)隱蔽地執(zhí)行偵查和攻擊任務。

圖11 一種微型機器人

圖12 固定薄膜翼微飛行器

LET柔順鉸鏈

人體的運動是依靠膝關節(jié)、腕關節(jié)以及肘關節(jié)等通過轉動實現(xiàn)的，并且它們還起到了連接四肢的作用，而在柔順機構中，鉸鏈的地位和這些關節(jié)是非常相似的，除了連接機構之外，它們還可以實現(xiàn)彎曲、扭轉等功能。在某些特定的場合，僅僅是無需潤滑這一特點，柔順鉸鏈被看作是剛性鉸鏈的完美替身。

由于柔順鉸鏈有著眾多結構和許多工程應用上的優(yōu)點，因此，近年來不僅僅是微觀領域，就連宏觀領域也展開了一系列與之相關的探索，并取得了豐碩的成果，如：支撐機構、聯(lián)接結構、微調整機構、光學平臺、微定位和微位移等。平面折展機構中的扭轉鉸鏈(Lamina Emergent Torsional Joint，簡稱LET)是柔順鉸鏈的一種。圖13所示為幾種LET鉸鏈，包括：外LET、內LET、扭轉平行鉸鏈、扭轉平行彎曲鉸鏈[18]。

圖13 幾種LET鉸鏈

設計帶有柔順鉸鏈的機構的挑戰(zhàn)在于，找到能夠完成所需變形特征以及提供合適運動范圍的鉸鏈[19]。圖14所示為一個簡單的四桿機構，其中便應用了外LET鉸鏈。

圖14 柔順四桿機構

除上述應用之外，平面折展機構(Lamina Emergent Mechanisms，簡稱LEMs)也是柔順機構中具有代表意義的結構形式，它由薄板加工而成能夠實現(xiàn)平面外運動，兼具了柔順機構、平面正交機構及變胞機構的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)簡單運動，如四桿機構、曲柄滑塊機構等，還能實現(xiàn)復雜運動，如球形四桿機構、斯蒂芬森機構等。圖15為空間球面LEMs，其中(a)為該空間球面LEMs的平面狀態(tài)，(b)為其運動狀態(tài)[20]。

其實，設計柔順鉸鏈的最終目的就是借助它的變形來讓機構更好地實現(xiàn)一系列復雜的運動，而柔順鉸鏈不僅僅可以在柔順機構中發(fā)揮巨大作用，相關的研究成果也可以被應用在我們的生活之中。如圖16所示是一種以萬花筒構型為啟發(fā)設計的柔順四面體環(huán)，各旋轉體之間采用內LET鉸鏈連接，在旋轉的過程中可以借助鉸鏈的變形來儲存能量，形成多種多樣的立體形狀[21]。

另外，如圖17所示，串聯(lián)多個外LET陣列并沿著圓滑弧線排列，依靠鉸鏈的翻轉和彎曲變形設計出了人形工藝品，作為立體擺件不僅簡單大方，又具有觀賞性。

圖15 空間球面LEMs的不同狀態(tài)

圖16 柔順萬花筒

圖17 立體擺件[22]

結束語

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)“柔順”總是能夠通過各種各樣的形式完成變身。其實，柔順領域的奧妙不僅僅局限于此，我們的日常生活都受益于它的萬般變化。相信經過研究人員的不斷探索和研究，更多柔順領域的寶藏會被發(fā)掘出來。希望與柔順相關的一系列研究成果能為我們的生活帶來翻天覆地的變化，造福于人類！

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