编辑 | 小杨
撰文 | 小杨
文献信息：
Variable-stiffness–morphing wheel inspired by the
surface tension of a liquid droplet
Science Robotics
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本周要介绍的文章是韩国机械材料研究所机器人和机电一体化系Sung-Hyuk Song教授的首席研究员。他的研究兴趣包括软机器人技术、通用抓手、软变形轮、人工肌肉、制造中的3d打印和制造自动化。
轮子由于其结构简单、能量效率高，常被广泛应用于移动机器人和运输系统。然而，轮子在克服障碍物方面的性能有限，相较于其在平坦地面上的优势显得不足。对此，本文提出了一种受液滴表面张力启发的可变刚度轮。在液滴中，随着外层液体分子的内聚力增加，拉动液体分子向内的净力也随之增大，导致表面张力升高，从而使液滴从因重力变形的状态恢复到圆形。同样地，通过改变最外层智能链块的牵引力，可以控制轮子的形状和刚度。当与各链块相连的辐条的拉力增加时，轮子的特性与普通刚性圆形轮子相似，这在平坦地面上的高速运动中具有优势。相反，当辐条拉力减小时，轮子的模量降低，轮子能够根据障碍物的形状轻松变形。这使得轮子在无需复杂控制或传感系统的情况下，更适合于跨越障碍物。基于这一机制，该轮子应用于一辆重达120千克的双轮轮椅系统，并实现了在户外环境中，实时在高模量圆形状态和低模量可变形状态之间的转换。
正文内容：
对于机器人或移动系统来说，要在不受地面条件限制的情况下进行地面运动，具备克服障碍的能力一直是关键功能之一(。轮子通常被用于实现机器人或运输系统的运动，并且是人类历史上最古老的发明之一，但轮子在克服相对较大的障碍（如岩石或楼梯）方面存在局限性。为提高轮子克服障碍的能力，已经开发了带有多个轮子的关节式框架，如摇杆-波基机制，但这种系统的尺寸和复杂性增加是其负面因素。基于履带的运动系统是一种专门为不平坦地形设计的机制，通过增加接触面积来提高通过性。然而，履带系统受限于相对较低的速度，并且由于履带与地面接触面积增加带来的高摩擦，能耗比轮式系统高。此外，由于履带的断续结构以及减震系统适应的困难，履带系统还容易产生振动和摩擦。基于腿部的运动系统通过模拟动物或人类的运动，适应了结构化环境和不平坦地形。这一方法的优势在于能够模仿自然界中有效的运动策略，如猎豹 、狗、马 和人类 的步态。然而，由于这些系统需要较多的致动器和复杂的控制系统，其能量效率较低，且随着机器人尺寸和载荷的增加，实现这些系统的难度也随之增加。
为了克服这些局限性，已经提出了将两种或三种不同运动机制结合起来的混合运动系统，如腿轮结合、腿履带结合、轮履带结合以及腿轮履带结合系统。然而，这些组合运动机制需要复杂的机械和控制系统，因此在户外的非结构化环境中难以建立可靠的系统，且容易出现机械或控制故障。作为一种替代方法，非充气轮胎被开发出来，以克服传统轮子的局限性。非充气轮胎在恶劣驾驶条件下具有优势，因为它可以防止因穿刺、泄漏或爆裂而引发的安全问题；此外，由于轮胎的柔性结构，它还能够在高牵引力下有效吸收冲击。非充气轮胎的性能主要取决于轮胎的结构特性和材料，可以分为以下几类：多种柔性辐条结构、多孔结构 、采用螺旋钢丝的网状结构、形状记忆合金结构 和可展开结构。然而，这些非充气轮胎的主要目的是防止穿刺并提高耐久性，而不是克服高障碍。因此，为了保持在平坦地面上的行驶稳定性，通常非充气轮胎的最大变形深度较小。随着非充气轮胎整体刚度的降低，在接触障碍物时可变形的深度增加，从而增强克服障碍物的能力，但这种情况下，移动速度和能量效率会下降。因此，克服障碍的能力与在平地上行驶的效率之间存在相互矛盾的关系，同时优化这两者是一个挑战。对于使用可展开结构的轮子来说，应用这种机制的主要目的是为了适应不同障碍物而改变轮子的大小，转化扭矩 并有效利用有限的空间。然而，这些可变形或可展开结构只能改变轮子的直径，无法改变轮子的刚度，限制了轮子根据障碍物形状进行变形的能力。此外，改变轮径会对整车系统的设计构成挑战，尤其是当轮径增大时，由于结构中的断续部分，可能会产生较大的振动，难以在高速行驶时实现稳定运动，而高速正是轮子的普遍优势之一。
在本研究中，我们提出了一种可能的解决方案。受液体表面张力的启发，我们提出了一种调整轮子刚度和形状的方法。值得注意的是，轮子的状态可以在刚性圆形状态（适用于在平地上快速移动）和柔性可变形状态（适用于克服障碍）之间实时切换。通过改变辐条结构的张力来控制轮子的刚性，这会影响位于轮子最外缘的智能链结构的表面张力。当轮子处于快速移动模式时，通过增加辐条结构的张力来增加轮子的表面张力，从而轮子呈现出圆形并达到高刚性状态。另一方面，当轮子处于克服障碍物的状态时，由于表面张力的减小，轮子能够轻松变形，其变形深度可达半径的40%。这种模拟液体的可变刚度机制有助于在保持轮子在平地上原有优势的同时，克服轮子遇到障碍物时的局限性。我们验证了可变刚度轮子的基本特性和机制，并对其性能进行了评估。提出了四轮车辆和一个实际尺寸的轮椅系统作为表面张力模拟可变刚度轮子的可能应用。
受液体表面张力启发的可变刚度轮子的构造
为了在保持普通轮子在平坦地面上驾驶优势的同时有效克服障碍物，提出了一种实现可切换轮子模式的机制 (图1A)。当轮子在正常平地上行驶时，它保持圆形并处于高模量状态 (图1Ai)，因此它像普通轮子一样运行，能量效率高且行驶稳定，不会发生摇晃。当轮子用于具有大障碍物的崎岖地形时，普通轮子无法有效工作，这时所提出轮子的模量会降低，使其易于变形，从而适应障碍物的形状(图1Aii)。智能链结构由位于轮子最外侧的链条状结构组成，连接到辐条结构(图1B)。如图1B中的绿色线所示，一根线从链块的一侧连接，通过红色的轮毂结构，并固定在链块的另一侧。辐条结构的总长度在初始配置中是恒定的。因此，链块与轮毂结构之间的辐条长度可以根据前后轮毂结构之间的轮毂间隙距离进行改变(图1B)。当轮毂间隙距离增加到lh_large时，链块与轮毂结构之间的辐条长度减少，链块被迫向内收缩。然后，轮子在圆形状态下模量增加，表现出像普通轮子一样的功能 (图1Ci)。相反，当轮毂间隙距离减小到lh_small时，作用在链块上的向内力减少，轮子进入柔性状态，可以有效变形以适应障碍物的形状并克服它 (图1Cii)。
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图1 可变刚度变形轮的结构
轮子的刚度变化源自链块处的总向内作用力，这种力可以与液滴的表面张力相比较（图1D）。液体表面上的分子由于非均匀的内聚力被拉向内部，而液体内部的分子合力为零。表面上每个分子的内聚力之和可以描述为一种指向液体中心的吸引力。这种吸引力可以与作用在轮子上链块的辐条拉力相匹配。当链块与轮毂结构之间的辐条长度随着轮毂间隙增大而减少时，作用在链块上的力可以分解为使相邻链块靠近的切向力和使链块向轮子中心移动的径向力。作用在链块上的切向力类似于液体的表面张力，每个链块的合力起到收缩轮子结构的作用，进而影响轮子的形状和刚度。轮子的可变刚度与收缩力的关系类似于液滴接触角与表面张力的关系（图1E）。由于重力作用，液滴的表面会发生变形，变形的程度通常用接触角来表示。当接触角增大并接近180°时，液滴的形状会趋向圆形，并且因重力造成的变形最小。液滴形状随表面张力变化的这种现象与轮子形状随辐条张力控制的表面张力变化的现象相似。
轮子刚度变化的机制
智能链结构位于柔性支撑结构之上，该结构支持智能链结构的初始位置（图2A）。柔性支撑结构可以用任何能够实现大变形的材料或结构替代。柔性支撑结构的模量通过改变辐条的张力影响轮子的刚度变化范围。每个智能链结构通过在孔中使用销钉组装，类似于普通链条的组装方法。
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图2 基于线辐结构张力的刚度变化机构
轮子的刚度可以基于两个主要机制进行调整：接触地面时辐条长度的变化和链块结构间距离随旋转方向的变化。在第一种机制中，随着变形深度的增加，接触地面的辐条结构所需的长度增加。当半径为R的圆形结构被压低到距离d处（定义为变形深度，见图2Bii）时，轮子与地面接触并开始向远离地面的方向弯曲，接触点为Pint。此时，定义lo为圆形结构与地面重叠部分的外部长度。如果圆形结构的周长不变，并且没有出现皱褶或部分卷起的情况，那么地面与圆形结构之间的接触长度不是相交的lo′，而是lo（图2Biii）。地面与圆形结构之间的接触长度增加量为2Δlo。
因此，轮子开始远离地面的弯曲位置从Pint移动到Pd，如图2Biii红线所示。圆形结构中心与Pd的距离变化为R′，因此轮子的辐条长度需要增加ΔR：ΔR的值通常随着变形深度d的增加而增加，直到d<R，这意味着辐条最大伸长长度影响着在平地上的变形深度d。如果圆形结构的周长由厚度为t的块组成（图2C），那么每个块的旋转中心由块的组装方式和相互接触方式决定。块的旋转中心可以位于其中间（图2C），即每个块相对于厚度使用销钉组装于中间位置。或者，旋转中心可以位于块的顶部或底部（见附图S1）。当达到变形深度d时，中线的重叠长度（即变形中性轴的线）定义为lm（图2Cii）。与图2B类似，地面与轮子的接触线从lm′增加2Δlm（图2Ciii）；因此，轮子的辐条长度需要增加到R′，增加量为ΔR，如方程2所示。在这种情况下，块的厚度t不会影响ΔR。当块的旋转中心位于顶部或底部时（见附图S1），这类似于块沿另一个块表面滚动。因此，每个块不能与相邻块重叠（见附图S1iii）。此时，接触长度ls′增加2Δls_1，增加量为：此外，与表面接触的块开始从地面分离（附图S1iv中的绿色标记），所需的辐条长度从R′增加ΔR2，增加量如下所示：![]()
其中，θ是变形块与地面之间的角度，假设辐条连接到块中间的Pd_2。每个块围绕块边缘（紫色点标记）旋转，ls增加2Δls_2。因此，特定变形深度下所需的辐条长度受到块厚度t和块变形角度θ的影响，与图2C中的情况不同。由于辐条长度变化对轮子刚度的复杂和敏感影响，我们将旋转轴设置在块中心附近，类似于图2C中所示的情况，而不是在块边缘。因此，图2D中半径为140毫米的轮子的变形高度可以通过改变块开始弯曲远离地面的位置，即图2C中的Pd点，来控制。辐条的最大长度可以根据轮毂间隙的变化控制，因此，靠近Pd位置的辐条长度可以通过轮毂间隙的变化来控制。图2E中所示的辐条长度是根据Pd点附近的测量值得到的，其中最长期值是基于链块的不连续性和坡度变化点不易区分导致的不确定性。轮毂间隙变化被定义为在初始状态下达到最大时为零，随着轮毂结构的靠近，距离变化值增加（图2E）。辐条长度偏差是由辐条长度变化与初始长度的差异得出的，当轮毂间隙偏差为零时，其初始长度被固定。由于辐条长度随轮毂间隙变化的影响，轮子的变形高度可以改变（图2F）。当轮毂间隙达到目标值时，轮子被放置在地面上，并由于重力作用开始变形，直到达到平衡位置。因此，变形高度被定义为在没有辐条张力的悬空状态下的轮子初始半径与变形后轮子中心当前高度之间的偏差（图2F）。变形高度主要受到轮毂间隙的影响，而不是轮子的自身重量。这是因为图2F中的轮子柔性支撑层足够柔软，轮子变形的量在柔性支撑结构达到平衡位置之前便已达到其极限。如果施加的重量较轻，那么柔性支撑结构的效果将变得更加显著。总之，当柔性支撑结构足够变形并且在轮毂间隙控制的极限位置之前，轮子的变形高度达到最大。换句话说，当柔性支撑结构的相对模量相比于重力更大时，柔性支撑结构的效果变得更加显著。使用模量更高的柔性支撑结构的轮子模型测量了变形高度，以验证柔性支撑结构相对模量的影响（图2G）。当轮毂间隙变化接近零时，不同变形高度下外部重力的影响变得可以忽略。这意味着轮毂间隙变化引起的表面张力变化主要影响轮子处于高表面张力状态时的特性。随着轮毂间隙变化的增加，施加的重量对变形高度的影响变得更为显著，而轮毂间隙变化本身对变形高度的影响减少。这是因为变形高度的范围由轮毂间隙控制，但柔性支撑结构的变形在反作用力增加之前达到平衡位置，即使最大变形高度尚未达到。这些趋势可以在附图S3中观察到。随着轮毂间隙变化的减少，使用不同柔性支撑结构的轮子的变形高度趋于相似。这是因为随着轮毂间隙变化的减少，表面张力的影响变得更加显著。相反，随着轮毂间隙变化的增加，使用不同柔性支撑结构的轮子之间的变形高度差异变得更加显著。为了验证变形过程中的距离变化，在轮子从悬空状态缓慢放置到地面时，测量了从轮子中心到每个块的距离变化（见附图S4），并固定了轮毂间隙。随着变形程度的增加，位于轮子中心正下方的块（如块16和18）的距离减少（附图S4B），而位于块弯曲并远离地面的部分的块距离增加。尤其是块22的距离随着其接近最大可变形位置急剧增加（附图S4C）。这是因为块22的位置是轮子变形达到给定轮毂间隙条件的最大值时最接近地面的位置。第二个控制轮子刚度的主要机制是链块结构间距离的变化。所提出的智能链结构设计为根据旋转方向的不同，每个块之间具有不同的距离（图3）。当块向负方向旋转时，即在遇到障碍边缘时，向内方向产生最大变形（图3A中的红圈标记），每个块之间的距离保持不变，但旋转角度增加。这种运动方向定义为负曲率方向，每个智能链结构之间的接触面在该方向上为圆形。另一方面，根据发生集中且大规模向内变形的位置，智能链块在靠近轮子两侧时向正方向旋转（图3A中的绿色圈标记），并且每个块之间的距离增加。这种特性是由智能链块的外形设计决定的。在链块的上侧有一个小凸起，当块向正方向旋转时，凸起改变了块之间的距离。随着旋转角度的增加，每个处于接触状态的块继续沿着凸起路径移动，然后块之间的距离增加。销钉位于每个智能链结构的孔中，以防止块的分解（图3B）。孔的形状是椭圆形的，销钉可以在横向自由移动。当块向正曲率方向旋转时，块之间的距离增加，直到销钉卡在每个块的销孔重叠区域的缩小体积中。对于负曲率方向的旋转，块之间的距离保持不变，因为销钉保持在相同位置。因此，销孔的形状决定了智能链块的运行机制，在正曲率方向旋转时距离增加，而在负曲率方向旋转时保持不变。该块机制的距离变化是因为液滴和轮子的物理特性不同。对于液滴来说，即使形状发生变化，其总体积也保持不变，而轮子的软支撑结构可以压缩，当对轮子施加向内的力时，轮子的总体积减少。因此，液滴由于表面张力而趋于最小表面积，从而呈现球形的物理现象，并不适用于轮子。然而，如果每个块之间的距离根据旋转条件而改变，轮子的总表面积（或轮子的总圆周长度）也会发生变化。因此，当由于块的旋转导致总表面积增加时，辐条的收缩力所产生的潜能并未最小化，这与液体在最小表面积时表现出最低潜能的原理类似。智能链结构的形状设计目的是在轮子呈现圆形时最小化其圆周长度。当轮子开始从初始圆形状态变形时，正曲率方向随之产生，导致总潜能增加。例如，当发生集中向内的变形时（见图S5），位于集中变形位置两侧的链块向正方向旋转，从而增加了圆周长度，导致总潜能增加。这种块之间距离变化的效应在固定的轮毂间隙下进行测量（见图S6）。轮子从悬空状态缓慢地放置到地面，测量了各块之间的总长度，发现随着中心位移的增加，总长度逐渐减少，直到轮子达到最大可能的变形状态。这是因为轮子悬空时，各个块之间存在部分分离，而随着中心位移的增加，块之间逐渐靠近。当中心位移达到20毫米后，块之间的间隙减少，总长度保持不变。当轮子的变形接近最大值时，靠近轮子远离地面的区域的块向正曲率方向变形，导致块之间的距离增加。在轮子受到障碍物挤压的情况下，负曲率在障碍物边缘的最大变形位置产生，正曲率则在同一时间产生，从而增加了块之间的总长度（见图S7）。随着变形距离（从轮子中心到障碍物边缘的距离）的增加，曲率的大小也随之增加，导致块之间的总长度变化也随之增加（见图S7C）。为了详细验证块之间距离变化的效应，基于块之间的相对旋转角度，测量了每个相邻块之间的距离变化（见图S8）。为了评估刚度变化与轮毂间隙的依赖性，在实验装置中安装了一个半径为140毫米的轮子（见图4A）。实验装置中可以安装不同尺寸的压头，并在压头向下移动时测量与每个压头相关的反作用力。宽形压头用于模拟轮子在平地上静止的情况，而窄形压头用于模拟轮子遇到障碍物时的变形情况，类似于集中力的施加。首先使用宽形压头测量反作用力，结果显示当轮毂间隙变化小于4毫米时，反作用力在达到4毫米轮毂间隙变化之前表现出不同的趋势（见图4B）。当轮毂间隙变化小于2毫米时，力-位移斜率在约1.5毫米位移处发生变化（见图4C）；因此，可以将该图的第一部分分为两个区域：第一区域表现出高刚度，第二区域表现出低刚度。第一区域表示轮子保持稳定圆形的正常状态。当施加的压力超过第一区域的边界值时，轮子与地面接触的链块结构部分内向弯曲，进入第二区域。当轮毂间隙变化大于4毫米时，轮子的特性与0毫米和2毫米间隙变化时的情况有所不同。轮子在第一区域的刚度较低，但在达到转折点后，第二区域的刚度增加（见图4D）。当对轮子施加力时，软支撑结构开始变形，直到达到给定轮毂间隙的所需变形高度。之后，随着图2C所示的机制，辐条结构的张力迅速增加，导致轮子刚度在第二区域中增加。由于辐条结构在转折点起到了主导作用，轮毂间隙主要影响了转折位置的位移和所需的力（见图4E）。此外，随着轮毂间隙变化的增加，需要更多的变形才能使刚度显著增加。维持各轮毂间隙所需的力如图S9所示进行了测量。在使用窄形压头时，轮子上施加了集中力，类似于轮子在遇到障碍物时的变形（图4F）。通过减少压头的宽度，可以模拟轮子克服尖锐障碍物的情况。随着压头位移导致的变形幅度增加，出现了斜率开始下降的转折点。当压头宽度增加时，转折点的位置向更大的变形值移动，但转折点之前的斜率保持不变。在转折点之后，由于轮子的模量降低，轮子更容易变形，可能会发生较大的变形，这种趋势如图4G所示。随着轮毂间隙的增大，达到转折点所需的力在相同压头宽度下减少（图4H和图S10）。当轮毂间隙变化为4毫米时，压头宽度超过50毫米时出现转折点。评估轮子克服障碍物的能力
为了评估轮子克服障碍物的能力，测量了轮子遇到方形障碍物时的轨迹。随着轮毂间隙变化的增加，由于轮子模量降低，轮子中心的位置下降（图5A）。特别是当轮毂间隙变化小于4毫米时，轮子中心的位置较高，因为在较小的间隙变化下，轮子的形状相对保持圆形，未因重力产生变形。然而，由于刚度增加，轮子难以变形成障碍物的形状。因此，当轮毂间隙小于4毫米时，轮子无法克服障碍物。当轮子下台阶时，轮毂间隙为0毫米时的轨迹与刚性圆形轮子的轨迹类似，轮子绕台阶边缘作为旋转轴旋转（图5B）。当轮毂间隙变化大于2毫米时，轮子在接近台阶边缘时发生变形。随着轮子靠近台阶边缘，障碍物对轮子的径向力增大。因此，台阶边缘与变形起始位置之间的距离随着轮毂间隙变化的增大而增加。障碍物处的变形深度受额外重量的重力影响（图S11A），并且这些变量彼此成正比。然而，直到轮子接触障碍物之前，无论重量如何，轮子的高度几乎保持不变。这一发现表明，障碍物引起的变形后，软支撑结构的刚度对轮子的特性起到了主要作用。因此，软支撑结构的刚度需要相对较高，才能在高负载条件下保持类似的变形形状（图S11B和图S12）。在提出的轮子中，实现了克服障碍物所需的实时刚度变化（图5C和视频S1）。在上升运动的例子中，轮子在接触障碍物之前可以保持圆形的高模量状态，然后为了容易变形，轮子的模量降低。在爬上台阶并克服障碍物后，轮子会恢复到高模量状态。这个过程可以在下降运动中重复，以减少突然的Z方向加速度。如果轮子在下降运动过程中保持高模量模式，轮子与台阶障碍物的接触区域仅限于台阶边缘。这种限制减少了轮子的稳定性。由于障碍物边缘处的旋转轴导致的高Z方向加速度（显现在轮子接触地面前轨迹斜率的陡增），也对稳定的移动性产生负面影响（图5C）。通过实时连续改变轮子的模量，还可以控制轮子的高度（图5D，图S13和视频S2）。克服障碍物的能力主要受到轮毂间隙变化的影响，例如障碍物的高度（图6）。攀爬的稳定性定义如下：Stability=l_block/(d_slip +l_block)其中，l_block是智能链块单元的长度，dslip是轮子在开始爬上台阶状障碍物前从地面滑落的距离。当稳定性值接近1时，滑动距离减少，轮子稳定地爬上障碍物。随着轮毂间隙变化的增加，轮子模量的降低使其能够稳定地爬上更高的台阶状障碍物（图6A）。然而，当轮毂间隙变化超过一定值且台阶高度超过100毫米时，稳定性下降，因为轮子在接触障碍物前的高度相对较低。当轮子上施加的重量增加时，需要增大轮毂间隙变化以确保稳定的攀爬（图6B）。当轮毂间隙变化较小时，轮子在克服障碍物后产生的变形无法完全恢复（图S14）。通过使用高模量的软支撑结构，这一特性可以最小化（图S15）。在5.3千克的施加重量下，轮子的平均牵引力为23.4N，而在7.3千克的施加重量下，牵引力为32.7N（图S16）。在高速驾驶条件下，轮子的振动特性基于轮毂间隙变化使用两种不同软支撑结构进行了评估（图S17至S20和视频S3）。关于耐久性，单根线辐条模块的抗拉强度也进行了测量，其平均值为1.193kN（图S21）。在仿真结果中，轮子在上下台阶状障碍物时的轨迹显示出与实验结果相似的特征（图6，D和E，及视频S4）。变形的详细形态（图6F）以及每个链块的位置变化（图S23和补充方法）也得到了验证。此外，仿真中还验证了圆形高模量状态与可变形低模量状态之间的状态转换（图S24和补充方法）。在车辆系统中的演示
为了进行性能评估，可变刚度轮子被应用于四轮车辆系统（图7，A和B；视频S5；图S25）。四个轮子的表面张力可以单独调节，并且由于系统重量的增加，使用了黑色海绵作为软支撑结构。四轮车辆系统能够在平坦地面上以高模量圆形状态运行，并通过将轮子转换为可变形的低模量状态来克服形状不规则的石块（图7A）。在类似的过程中，四轮车辆还能够克服180毫米高的障碍物，这一高度比轮子的半径高出1.2倍（图7B）。轮子还被应用于一个双轮轮椅系统（图S26）。在这种情况下，轮子的尺寸被加倍，以适应轮椅用户的体型。该车辆系统的重量约为120公斤，是四轮系统重量的四倍。由于海绵结构在增加刚度方面存在局限性，采用了聚氨酯蜂窝结构作为软支撑结构。对大尺寸轮子的牵引力（图S27）和高速（高达30公里/小时）的振动特性进行了评估（图S28和视频S6），其耐用性也在15公里/小时的速度下进行了超过一小时的测试（视频S7）。双轮轮椅系统的动力学特性进行了研究（补充方法），并开发了控制算法（补充方法）。由此得到的控制输入扭矩可以描述为：对带有40公斤负荷的智能链结构的刚度变化进行了评估（电影S8），轮椅系统通过改变轮子的状态有效地克服了障碍物（图7C和电影S9）。利用轮椅系统，在非典型的户外环境中评估了行驶速度和性能（电影S10和S11），并演示了轮子在实时状态下的过渡；特别地，轮椅系统成功地克服了障碍物（图7D和电影S1）。
在本研究中，我们介绍了一种受液体表面张力原理启发的可变刚度轮胎。通过调整智能链条系统中钢丝辐条结构的张力，我们建立了一种变刚度机制。该轮胎在四轮车和两轮轮椅系统中都得到了成功展示，能够通过实时改变形状来越过不规则的障碍物和高达轮胎半径1.2倍的台阶。然而，由于本研究中的制造过程未自动化且不稳定，噪音和能效未得到评估。未来的研究将包括添加轮胎保护罩，以防止灰尘和颗粒进入轮胎，从而对轮胎进行保护，类似于标准轮胎。此外，我们计划将目前使用的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）材料的智能链条块更换为热塑性聚氨酯材料，并增加钢丝辐条结构的厚度，以提高耐用性。同时，我们将开发基于非线性有限元分析的仿真模型，以更准确地预测软支撑结构的变形特性，从而实现对整个轮胎结构操作性能的更精确预测。本研究展示了实际轮椅轮胎上的实时刚度变化，表明在粗糙地形上高效驾驶的轮式机器人和运输系统中具有广泛的应用前景。智能链条块使用三维（3D）打印机（F370 Stratasys Inc.）和ABS（ABS-M30）材料制造。每个链条块通过直径为2 mm的铝杆连接。软支撑结构使用了海绵结构和蜂窝结构。每种海绵的模量已被测量（图S2）。蜂窝结构则使用3D打印模具（ABS-M30）和液体聚氨酯橡胶（Vytaflex 60，Smooth-On Inc.）制造。详细的制造过程描述见图S34和S35。钢丝辐条结构的材料是厚度为2 mm的凯夫拉纤维。对于应用于四轮车的小型轮胎，轮胎直径为300 mm，宽度为40 mm。对于应用于轮椅系统的大型轮胎，轮胎直径为560 mm，宽度为90 mm。为了评估轮胎的基本特性，使用了一个位于压头上的荷重传感器来测量轮胎的反作用力，另一个位于轮毂结构上的荷重传感器则用于测量维持所需轮毂间隙距离的力（图4A）。在轮毂结构上使用了两个荷重传感器（CSBA-50 L，CAS Ins.），在压头上使用了一个荷重传感器（CSBA-50 L，CAS Ins.）来测量力。激光位移传感器（ODSL 96B M，Leuze）用于测量压头和轮毂结构的位置。数据通过NI DAQ模块（cDAQ-9172，NI-9215，National Instruments）和LabVIEW软件收集。在平地条件下的实验中，使用了底部为200 mm x 40 mm的方形表面的压头。评估轮胎的实验系统如图5所示。系统中安装了一个可以在x轴（前进方向）和z轴（垂直方向）上自由移动的轨道，只有两个电机作为轮胎的动力部件：一个电机用于旋转轮胎，另一个电机用于改变轮毂间隙距离。每个智能链条块的位置和轮胎的轨迹通过图像跟踪软件（ProAnalyst，Xcitex）进行分析。对于四轮车系统，每个轮胎由两个电机驱动：一个电机（Maxon 488607 BLDC Motor）用于旋转轮胎，另一个电机（Maxon 647692 BLDC Motor）用于调整轮毂间隙距离。详细配置见图S25。在两轮轮椅系统中，每个轮胎由一个电机（Komotek KAND-15DF3N2 AC
Servo Motor）旋转，另一个电机（Komotek KAFZ-06D）调整轮毂间隙距离。平衡算法通过控制器实现。详细配置和平衡算法见补充方法和图S29至S32。
