学术分享丨Science Robotics 封面论文：受液滴表面张力启发的可变刚度变形轮

凭借其速度和低运输成本，车轮是机器人运动的有利选择。然而，车轮不能轻易地越过大障碍物，从而限制了它们在某些环境中的使用。近期Science Robotics 发表的封面论文，Lee等人开发了一种刚度可调的轮子，可以实时改变，在平坦的地面上呈现出坚硬的圆形，在大障碍物上呈现出柔软的、可变形的形状。车轮外侧的智能链条结构通过辐条结构连接到中心轮毂。辐条中的张力可以调整以适应车轮的刚度，从而允许车轮在可变的地形上移动。车轮功能在四轮车辆和两轮轮椅系统中得到了展示。

这是一个受液滴表面张力启发的可变刚度轮。在液滴中，随着最外层液体分子的内聚力的增加，将液体分子向内拉的净力也增加。这导致高表面张力，导致液滴从引力引起的扭曲形状恢复为圆形。同样，车轮的形状和刚度是通过改变最外层智能链块的牵引力来控制的。随着连接到每个链块的钢丝辐条张力的增加，车轮特性反映了一般圆刚轮的特性，这在正常平坦地面上的高速运动中具有优势。相反，随着线辐条张力的减小，车轮的模量减小，并且根据障碍物的形状，车轮容易变形。这使得轮子适合克服障碍物，而不需要复杂的控制或传感系统。在此机理的基础上，将轮子应用于重达120 kg的两轮轮椅系统，实时实现了轮椅在室外环境中驾驶时，圆形高模量状态和可变形低模量状态的状态转换。

主要技术方法

1. 灵感来源：设计灵感来自于液滴的表面张力，液滴在外界作用力下能够通过表面张力恢复其形状，类似地，轮子通过改变其刚度来适应不同的地形。

2. 可变刚度机制：通过改变连接到轮子最外层智能链块（smart chain block）的牵引力（即改变牵引线张力），来控制轮子的形状和刚度。

3. 智能链结构：轮子的智能链结构由一系列链块组成，通过改变牵引线的张力，可以改变这些链块的紧密程度，从而改变轮子的刚度。

4. 实时状态转换：轮子能够实现在高刚度状态（适合平坦地面高速运动）和低刚度状态（易于变形以适应障碍物）之间的实时转换。

5. 实验系统：开发了一个实验系统来评估轮子的基本特性，包括使用负载传感器和激光位移传感器来测量轮子的反应力和位置。

实验结果

1. 刚度变化验证：实验结果显示，通过改变轮毂间隙距离（hub-gap distance），轮子的刚度可以显著变化，从而影响其变形高度。

2. 障碍物克服能力：轮子成功演示了在遇到障碍物时降低刚度以适应其形状，并在通过障碍后恢复高刚度状态的能力。

3. 车辆系统演示：将这种轮子应用于四轮车和两轮轮椅系统，证明了其在实际载重和户外环境中的实用性和有效性。

4. 稳定性和牵引力：在不同载荷下测试了轮子的稳定性和牵引力，确保了其在不同条件下的性能。

5. 高速行驶评估：在高速行驶条件下，评估了轮子的振动特性，确保了其在实际应用中的可靠性。