文章来源： 高分子科学前沿

军事领域对飞行器有迫切的功能需求，要求新一代飞行器能够适应大范围飞行环境（高度、马赫数等）的变化，同时保持多种任务（如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等）的良好性能。

传统固定外形的飞行器往往局限于单一飞行模式，因此只能满足一种军事功能，而变体飞行器，可以根据飞行环境和飞行任务的变化，相应地改变外形，始终保持最佳飞行状态，满足多种军事需求，大大提高飞行器的军事效率。在已有的变体飞行器中，机翼结构由多个刚性材料组成，通过组合改变机翼的后掠角等参数从而改变机翼的气动外形，大量的实验已经验证了变体飞机技术的优越性。由于现有结构材料的限制导致其不能平滑连续变形，没有最大限度发挥变体的优势，所以，如果能研究一种柔性可平滑连续变化的机翼外表面蒙皮结构，无疑将拥有更广阔的军事用途。

12月25日消息，西安交通大学机械工程学院的李博与陈贵敏团队，提出研究一种基于电活性聚合物材料驱动的可变机翼的自适应智能蒙皮结构。如图1所示，该结构采用介电弹性体（DE材料）作为驱动蒙皮，带动机翼产生整体变形，以适应飞行需要。该方法实现了柔性的软体材料对刚性结构的驱动，具有典型的刚柔软复合型共融机器人特征。

图1（左）蒙皮与机翼的装配图（右）蒙皮驱动机翼的弯曲变形

介电弹性体是一种具有电场驱动变形的新型智能材料。这种电致变形尺度大，面积扩张超过100%，甚至可以达到1698%；响应速度快，响应时间低于1毫秒；力电能量的转化效率高，非常类似于生物肌肉的特性。因此DE材料也被称为人工肌肉材料，用于多种仿生软体机器人及柔性传感器中。

DE材料虽然具有优越的变形特性，但是其主体材料是超弹性聚合物，存在变形非线性强、定位不精准的问题，因此课题组在研究中提出了面/线两种力学约束机制。首先，以机翼的变形指标为需求，采用柔性聚合物电极对DE材料的表面变形进行面约束，克服大变形中的材料非线性刚化效应；其次，通过柔性梁对DE材料进行线约束，诱导其在机翼弯曲方向变形，将连续变形离散为分段式变形，提高了控制的精准性和一致性，如图2所示。

图2. 电活性仿生人工肌肉蒙皮的(a)力学性能和(b)电驱动变形行为

得益于驱动器性能的改进，实验中测量了三个蒙皮的驱动效果，其结果的相对偏差较小，证明了本项目研究的制备工艺和结构提高了系统的一致性和可靠性。

图3. 蒙皮结构驱动弯曲角度

考虑在外界空气载荷下，机翼的变形角度容易受到影响，降低空气动力学特性。针对这一问题，本项目提出了将自然界中常见的阻塞变刚度机理应用于柔性蒙皮研究中，采用平行纤维的聚密结构，设计了一种具有阻塞变刚度能力的柔性蒙皮结构。如图4所示，通过加入原始纤维和打磨纤维，在-96KPa气压下，机翼结构的抗弯刚度提高到6倍。

图4. 柔性纤维阻塞结构集成在机翼蒙皮中

本研究的主要创新点为：（1）针对现有的机翼蒙皮存在驱动负载大，自适应能力不足的问题，提出了一种仿生人工肌肉型柔性蒙皮结构，实现结构功能与驱动功能的一体化，达到在电驱动下45度的机翼弯曲效果；（2）考虑到高分子聚合物中力学非线性的问题，提出了面/线双重力学约束机制，实现面向机翼驱动的单自由度变形输出，提升了蒙皮系统的一致性和线性度；（3）鉴于柔性蒙皮结构在驱动变形后难以维持形状，提出了纤维聚密型变刚度结构，利用摩擦阻塞机制，在负压驱动下提升机翼蒙皮的刚度达到6倍；

相关结果发表在Smart Materials and Structures上，文章的第一作者为西安交通大学李博副教授，通讯作者为西安理工大学刘磊讲师。部分研究工作与南京理工大学赵子杰副教授合作完成，并得到自然科学基金共融机器人重大研究计划和陕西省智能机器人重点实验室的资助。