基于体积-图案诱导各向异性的多孔软 actuator 可编程变形设计

传统软气动 actuator 通常基于空心弹性腔体，常存在结构支撑较小且需针对特定几何进行高昂成本的多功能重新设计的问题。填充物如泡沫可提供腔体的结构稳定性。然而，针对 porous 实体本身实现可编程变形的方法仍鲜为人知。本文提出一种新颖的设计方法，通过在多孔泡沫实体上切割特定图案来实现具有可编程变形的软体 porous actuator。该方法引入泡沫局部结构的各向异性，引导材料在全局真空输入下的变形。进一步讨论了圆柱形泡沫基板上的三种基本图案：横向用于弯曲、纵向用于倾斜、对角线用于扭转。构建了基于有限元分析 (FEA) 的计算模型，探讨了切割图案方法的机理。实验结果表明，在图案阵列数目 $N$ 达到最佳值时，actuator 可实现弯曲至 $80^\circ$ (N=2)、倾斜 $18^\circ$ (N=1) 和扭转 $115^\circ$ (N=8)。本方法的灵活性通过图案可迁移性、可扩展性以及无模具的快速原型制造复杂图案得以体现。作为综合应用，我们将人类手部皱褶图转化为功能性切割图案，构建出具备类人适应性抓取能力的生物仿生软体机器人手。我们的工作为软体多功能机器人设计提供了一种新颖、高效且可扩展的范式。