磁场驱动双稳态仿生结构变形机理与控制方法研究

The investigation of the novel smart bioinspired structures is strong urge for the advanced and high-perfermance depolyable, morphing spatial structures and intelligent equipments. The Venus Flytrap is able to close its active leaves in 100ms to capture the prey that the leaves and their deformation mechanism are greatly similar to the bistable composite structures. This motivates the authors to design and manufacture a bioinspired robotic flytrap using bistable composite structures which are made from carbon fibre-reinforced polymer (CFRP). This project mainly aims at clarifying the morphing mechanism and exploring the control methodology of the non-contact magnetic driving bioinspired structures. The theoretical model and framework of the bioinspired Venus Flytrap are systematically proposed. The corresponding computational model and method are established. The corresponding experimental platform is established to capture the deformation process and validate the theoretical model of the magnetic driving bistable structures. By combining the theoretical analysis, experiment, and numerical simulation, the deformation mechanism and driving method of the bioinspired Venus Flytrap robot are studied systematically. Through macro-scale mechanical testing and micro-scale characterization analysis, the deformation mechanism of such structures in ultimate environment are also investigated. The new control methodology for the twisting deformation is given from the structure itself and driving method aspects. This research is expected to facilitate the application and development of bistable composite structures and provide the theoretical and technical guidance for the design and manufacture of the bioinspired robotic structures/machines made of bistable composite structures and its intelligent drive control.

探索新型智能仿生结构是研制先进、高性能可展开可变形空间结构和智能装备的迫切需求。捕虫草能在100ms 内闭合其可活动叶片以捕获昆虫，其叶片功能和变形方式与双稳态复合材料结构具有强烈的相似性。本项目采用仿生学方法将双稳态复合材料结构作为仿生叶片引入到仿捕虫草智能结构中，以建立非接触式磁场驱动仿生智能结构为目标，系统提出仿捕虫草智能结构理论模型和框架，建立相应的计算模型和方法，搭建磁场驱动双稳态结构变形、性能测试实验台，定量分析磁场驱动下双稳态仿生结构变形特征。实验、模拟和理论分析相结合，研究仿捕虫草智能结构变形机理和驱动方法；宏观力学性能测试与微观表征结合，探明仿生结构极端环境下的变形规律；从结构本身和驱动方法入手，建立抑制和主动控制智能结构扭转变形的新方法。本研究可以为研制和生产智能驱动、快速抓取复合材料结构/机械提供理论和技术依据，对含双稳态结构器件的设计和发展具有重要的指导意义。

以建立非接触式磁场驱动仿生智能结构为目标，采用仿生学方法将双稳态复合材料结构作为仿生叶片引入到仿捕虫草智能结构中，系统提出仿捕虫草智能结构理论模型和框架，建立相应的计算模型和方法，搭建磁场驱动双稳态结构变形、性能测试实验台，定量分析磁场驱动下双稳态仿生结构变形特征。研究仿捕虫草智能结构变形机理和驱动方法；宏观力学性能测试与微观表征结合，探明仿生结构温湿环境下的变形规律；从结构本身和驱动方法入手，建立抑制和主动控制智能结构扭转变形的新方法。主要工作成果如下：.1.对双稳态复合材料结构叶片变形理论和模拟进行基础研究，综合考虑温度、湿度等外界条件对仿生结构叶片变形的影响。理论上建立了双稳态结构能量表达式，由最小势能原理得到第二稳态曲率半径的理论解；模拟上运用有限元软件对双稳态结构的稳态转变过程进行模拟；实验上采用自主研发的双稳态复合材料实验测试装置配合万能拉伸试验机进行稳态转变实验。探究反对称双稳态叶片因扭转变形而产生的叶片闭合性问题，提出改进结构性能的方法，矫正叶片的扭转变形，实现仿生结构叶片的主动控制。.2.通过分析捕虫草的捕食过程和反对称铺设复合材料双稳态结构的变形特点，比较两者变形的相似性，获取两者仿生学变形原理，探明其变形过程中的几何特点和力学性能，进而对仿捕虫草智能结构原型进行改进。通过在反对称双稳态结构表面粘附磁性材料制备仿捕虫草智能结构原型，驱动完成稳态转变动作，模仿捕虫草的变形过程。采用反对称铺设复合材料结构作为仿捕虫草叶片，提出固支边界方法，使反对称双稳态仿捕虫草结构能在较小磁场力的驱动下产生变形。.3.根据仿捕虫草智能结构变形过程，实验确定磁场力的作用方向、磁场分布，进一步确定磁性材料粘附在反对称双稳态结构表面的具体位置。对非接触式磁场控制方法与新型磁流变弹性体材料制备工艺进行探究。通过磁场基本理论Biot-Savart定律计算出电磁铁磁感性强度与磁性材料在磁场作用下的受力情况。运用有限元软件模拟磁场分布情况与磁性材料受力情况，采用特斯拉计测出实际磁场强度，完成对非接触式磁场驱动智能复合材料结构的性能分析。通过磁性颗粒与柔性基体的混合、固化、外加磁场等方法制备磁流变弹性体，提出了一种磁敏弹性体驱控的仿生抓取机构。.本研究可以为研制和生产智能驱动、快速抓取复合材料结构/机械提供理论和技术依据，对含双稳态结构器件的设计和发展具有重要的指导意义。