可重编程相变复合材料：实现机器人自适应动态形变的新策略

《Advanced Science》：Reprogrammable Phase-Transition Composites for Adaptive Dynamic Shape Morphing

本文报道了一种创新的可重编程相变复合材料（PTC），其灵感来源于生物体利用相变行为调控生长形态的机制。该材料通过可逆固液相变（SLPT）诱导的刚度变化来编程和调控由可逆液气相变（LVPT）驱动的材料变形，从而以可控方式实现自适应动态形变。PTC不仅能实现可重编程变形和局部可编程变形，还能通过调控两种相变的顺序实现快速变形和形状锁定。研究展示了基于PTC的可重编程变形晶格、变形表面、可重构天线以及水陆两栖机器人等多种功能应用，证明了其在机器人自适应动态变形领域的巨大潜力，为开发多功能可重构机器人系统提供了新平台。

　　

生物启发的相变复合材料设计

在自然界中，相变行为在生物系统发育中扮演重要角色。例如，动物前后体轴形成过程中，细胞群经历类似液固相变的阻塞转变，通过特定区域刚度变化编程调控生长，同时细胞流入提供作为驱动力的流体压力。受此启发，研究者提出了结合固液相变和液气相变效应的可重编程相变复合材料。PTC主要包括驱动层、变刚度层和隔热层。驱动层包含工作介质2，变刚度层包含工作介质1，两层均嵌入加热丝，隔热层用于避免层间热干扰。通过调控固液相变和液气相变的顺序，PTC可实现编程变形、快速变形和形状锁定等不同工作模式。

编程变形、快速变形与形状锁定的表征

PTC在不同工作模式下具有不同的驱动特性。在编程变形模式下，驱动层加热功率和工作介质2的类型是影响响应速度和弯曲角度的重要因素。使用沸点较低的工作介质2（如Novec 7000，沸点34°C）可获得更快的驱动速度和更大的弯曲角度。液气相变的可逆性确保了PTC的可逆驱动。在快速变形模式下，通过可控的能量存储-释放方法，变形响应时间可短至67毫秒。在形状锁定模式下，通过先冷却变刚度层再冷却驱动层，变形保持比率（R_r）可达96%，避免了液气相变驱动维持变形所需的持续能量输入。

仿真与自适应变形调控

采用ABAQUS进行有限元仿真，通过等效方式将工作介质2液气相变提供的流体压力作为载荷施加到驱动层壳体内表面，仿真预测结果与实验结果吻合良好。PTC的局部可编程变形能力和可重编程变形能力使其能够根据不同物体的外形轮廓实现自适应变形。实验表明，当变刚度层中2个或3个点被软化时，PTC可依次适应三角形、正方形和矩形物体；当整个变刚度层软化时，可适应圆形物体。

可重编程变形晶格

通过将多个一维结构PTC按图案化定制设计组合，可构建二维可重编程变形晶格，实现丰富的晶格图案和变形类型。三角和四边形可重编程变形晶格可变为五边形、六边形、七边形、圆形等形状，晶格各边可具有相同或不同数量和位置的变形段。晶格同样具备形状锁定能力，通过先冷却变刚度层再冷却驱动层，可锁定晶格在设定的变形状态。

可重构天线与可重编程变形表面

利用PTC的可重编程性和形状锁定特性，开发了基于一维PTC的可重构天线。随着PTC形状变化，固定的铜线形状相应改变，实现了天线性能的调节。以单点编程变形为例，可重构天线实现了不同角度的弯曲变形，天线回波损耗S₁₁特性相应变化。此外，基于PTC开发了具有三维结构、可实现空间变形的可重编程变形表面，通过选择性激活部分PTC并调控其变刚度层软化段的数量和位置，可实现丰富可调的三维空间变形。

变形水陆两栖机器人

利用PTC的可逆变形和形状锁定能力，开发了可逆调整车轮形状以适应陆地和水中不同运动需求的水陆两栖机器人。当PTC贴合轮毂时，变形车轮整体呈圆形以适应陆地滚动运动；为适应水中运动，通过加热和冷却变刚度层，使PTC伸直展开，变形为适合高效划水的状态。机器人通过车轮形状切换，实现了在陆地以37.9 cm/s运动和在水中以9.5 cm/s运动。此外，还开发了陆空两栖无人机，利用含工作介质1的变刚度组件作为可变形臂，含工作介质2的驱动组件驱动无人机整体结构变形，可逆地在空中飞行状态和陆地运动状态之间切换，并通过障碍物演示了其环境适应能力。

讨论

PTC利用可逆固液相变诱导的刚度变化编程调控材料变形，利用可逆液气相变驱动，以可控方式实现自适应动态变形。通过调控能量存储-释放过程，大幅加快了液气相变驱动方法的变形响应速度；通过可逆固液相变锁定变形，避免了持续能量消耗。与现有用于可变形机器人或结构的柔性智能材料相比，PTC在可重编程性、局部可编程性、刚度变化比、形状保持比、变形响应时间和无绳操作方面具有明显优势。相变驱动方法在消除外部复杂泵阀系统的同时，具有高压和大变形输出的特点，有望为可变形机器人技术和相变驱动技术的研究提供新的参考方向。