具有被动载荷适应性的胞元拉胀系统设计概念

拉胀结构（Auxetics）指一类呈现整体负泊松比的工程结构。这些结构在抗冲击、高能量吸收、柔性机器人等方面开辟了多种潜在机遇。有趣的是，拉胀结构亦可被定制以被动适应环境刺激的变化——本文在设计并新型载荷自适应夹持器系统的背景下探讨了该概念的变体。以可合成有限结构的重复参数化单元来定义设计，为拉胀结构设计提供了一种具吸引力的计算高效途径。该方法还解耦了优化代价与整体结构尺寸，并规避了系统尺度设计（如通过拓扑优化）的缺陷。本文提出一种基于代理模型的设计优化框架，以实现由拉胀单元合成、具给定外形的被动载荷自适应结构概念。我们集成开源网格划分、有限元分析（FEA）与贝叶斯优化工具来开发此计算框架，提升了其可采纳性与可扩展性。通过设计一个简化机器人夹持器对该概念及底层框架进行演示，目标是最大化朝向载荷（夹持）水平位移与受载垂直位移之比。由此生成的最优拉胀单元基设计在相同指定最大载荷下，相较拓扑优化所得设计在接触反力上表现优四倍。