近日，机械与动力工程学院张文明教授团队与同济大学航空航天与力学学院李汶柏研究员合作研究，在Science Advances上发表文章“Encoded sewing soft textile robots”，首次提出了一种基于“编码缝制约束力学”的气动织物软机器设计和制造的新方法，解决了可编程气动软体机器人在高效定制化开发过程中长期存在的挑战，通过简单高效的二维平面缝制工艺，实现了气动织物软机器的复杂时空编码和物理智能，为加速气动织物软机器服务于安全人机交互、定制化穿戴和医疗康复设备的原型开发和产品迭代提供了有效途径。机械与动力工程学院博士生郭欣宇、同济大学李汶柏研究员为论文共同第一作者，李汶柏、张文明教授为共同通讯作者。
“编码缝制约束力学”设计概念与制造方法
高度可编程、可定制和制造便捷的智能织物软机器
早在石器时代，人类就已经能够使用骨针将植物纤维缝制成衣服。随着科技的进步，织物展现出可定制化、智能化和集成化的发展趋势，将气动驱动器和织物结合制成气动织物软机器，也成为主动织物和软体机器人领域的重要研究方向。然而，具有可编程复杂三维形状变形和运动功能的气动织物软机器的高效定制化设计和制造一直都充满挑战。已有的气动织物软体机器人的制造工艺或需新材料开发和织物拼接，或需昂贵的专用设备。另外，缺少服务于定制化研发的高效系统的设计和建模预测方法，也是制约气动织物软机器迈向多功能定制化产品的重要因素。
编码缝制约束力学原理赋能复杂空间变形和顺序操作
为了解决上述问题，研究团队揭示了缝纫对织物的应变约束规律，并在此基础上提出了“编码缝制约束”的力学新机制，分别将能够对针织织物拉伸性进行强约束的直线型缝边和调节的之字形缝边编码为二进制的“0”和“1”。研究团队通过嵌入不同拉伸信息的编码缝边，为气动织物软机器有效构建了各向异性力学织物约束壳，实现了力学约束设计和制造成型的一体化，进一步发展了三边编码缝边全局约束新方法。该方法可以极大降低气动织物软机器的复杂三维变形设计和理论预测难度，并提升定制化开发的效率。此外，研究团队还发现调节缝边之间的间距会改变变形的时序，并通过建立的气囊非线性膨胀和各向异性织物应变约束的耦合力学模型，准确预测了时序变形规律。
定制化多功能织物软机器
研究团队基于“编码缝制约束力学”，通过便捷的传统缝纫技术和市售的廉价织物面料和乳胶气球，设计制造出能够实现复杂空间变形以及可控时序变形的多种多功能定制化气动织物软机器，如复现黄瓜藤复杂三维卷曲变形的仿生藤蔓，匹配拇指不同关节运动规律的定制化康复指套和适配不同体型的脊柱矫正器，完成缠绕抓取水杯并倒水复杂操作的仿生章鱼触手，以及实现连续翻滚、双向爬行和爬管运动的仿生软体机器人。仅需单一气源驱动的气动织物软机器极大降低了系统的复杂度，该方法有望和制衣行业结合，利用数字化缝纫机或刺绣机，实现织物软机器的低成本、定制化批量生产制造。
该研究工作得到了国家自然科学基金，上海市“科技创新行动计划”和同济大学中央高校基础研究项目的资助。
