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基于对称性构造的双稳态单元用途广泛，可拼接成各种多稳态结构，例如，可自锁变体结构、力学超材料、脉冲运动软体机器人和机械计算机。那么存不存在不依赖对称性的双稳态乃至多稳态单元呢？近期武汉大学的李洋课题组提出了通过“多协调设计法”，构造了许多新的多稳态单元，来看看这些单元是如何被设计的吧。
基于对称的双稳态单元有很多种，如图1所示。通过双稳态的拼接可获得多稳态结构，但这会造成一个问题，就是该结构有大量的多余稳态，导致变体过程难以控制，通常需要布满大量独立控制的智能材料驱动器做全驱动控制才能完成目标变形。
图1 基于对称的双稳态单元。
近日，武汉大学李洋研究团队提出一种新的构造原理，通过将两个运动特征不同的四连杆耦合到一起，便可以产生一个多稳态结构，如视频2所示，其条件是两个四连杆的连杆部分需要在空间中的若干处具有相同方位，这就是“多协调设计法”。
视频2 多协调设计法：两个四连杆拼接成了一个四稳态结构
研究团队基于这一原理，设计了一系列由四连杆耦合形成的多稳态结构，如视频3所示。其中，通过多协调设计过程中考虑构件之间避免碰撞的需求（写入约束方程）以及加工时的后处理（设计曲线型的杆避免碰撞），得到了真正的平面多稳态结构，可以由3D打印机一体化打印无需装配，如视频4所示。本论文初步对该单元进行了拼接的展示，拼接整体均为一体化3D打印，拼接整体可实现不同的曲率曲线，如视频5所示，未来有望进一步探索在超材料领域的应用。
视频3 两板四杆（2P4B）三稳态结构
视频4 平面三稳态结构，可由3D打印机一体化打印，无需装配
视频5 平面三稳态单元拼接，模型由3D打印机一体化打印，未来有望应用于超材料领域
在完成多稳态结构设计之后，研究团队引入轻推弹性带法（NEB）计算多稳态结构在目标稳态之间变形的最小能量路径，最小能量路径找寻可视化如视频6所示。以该路径为依据设计驱动，考虑到适用于形状记忆合金作驱动器，以驱动器两端的安装位置之间的距离沿着最小能量路径单调减小为约束，以驱动器的长度变化最大为目标，优化求解驱动设计。对一个更复杂的三板六杆（3P6B）三稳态结构进行驱动设计，最后的实验演示结果如视频7所示。
视频6 轻推弹性带法（NEB）找寻多稳态结构变形最小能量路径。左侧为视频3中2P4B三稳态结构的能量地形。右侧为视频7中3P6B三稳态结构降维后的能量地形。
视频7 三板六杆（3P6B）三稳态结构由设计的驱动牵引重构
最后，为展示该多稳态结构设计全流程的有效性，通过一个四稳态结构构造变刚度夹爪，仅需一个驱动器可以同时实现将豆腐轻轻夹起的软模态、脉冲式夹碎的硬模态以及两个模态之间的切换，其演示过程如视频8所示。
视频8 四稳态结构构造变刚度夹爪，仅需一个驱动器分别实现将豆腐轻轻夹起和脉冲式夹碎。
综上所述，本研究提出了包含多协调性设计、刚度设计、最小能量路径找寻及驱动设计的全流程易驱动多稳态结构设计方法，为多稳态结构在可重构机器人、可编程超材料和变形机翼等领域的应用提供了灵活的设计思路。相关工作以“Easy-to-actuate multi-compatible truss structures with prescribed reconfiguration”为题发表于期刊Nature Communications上。武汉大学为该论文的第一署名和通讯单位，工业科学研究院博士生艾琳（弘毅学堂毕业生）为论文第一作者，李洋研究员为论文通讯作者，加州理工学院博士生银树焜（弘毅学堂毕业生）、弘毅学堂本科生何伟霞、工研院硕士生张沛东为论文共同作者。大学生工程训练与创新实践中心的陈东和黄亚老师为此项目提供了机械加工的支持。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49210-3
李洋博士（2012-2017）毕业于牛津大学（导师Zhong You），博士后（2017-2020）工作于加州理工学院（导师Sergio Pellegrino）。研究对象是变体结构，应用对象有软体机器人、血管支架和手术器械、变体/可重构机器人、可展结构、力学/可重构超材料等。欢迎有兴趣的小伙伴来一起合作（yang.li@whu.edu.cn）。
课题组主页：
http://jszy.whu.edu.cn/yang_li。
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