根据作者Tung D. Ta和Yoshihiro Kawahara发表于2023年IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议（IROS）的学术论文《Printable Bistable Structures for Programmable Frictional Skins of Soft-Bodied Robots》，本报告旨在向研究人员详细介绍这项原创性研究。
作者与机构： 本研究由东京大学信息科学与技术研究生院的Tung D. Ta（第一作者）和东京大学工程研究生院的Yoshihiro Kawahara（通讯作者）共同完成。论文发表于2023年10月1日至5日在美国底特律举行的IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)会议论文集。
学术背景： 本研究属于软体机器人领域，具体关注软体机器人的表面交互特性。软体机器人由柔性材料制成，具有高适应性、易制造和交互安全等优点。目前，研究多集中于通过控制机器人身体刚度来适应环境，但作为机器人与环境间机械接口的摩擦皮肤却研究不足。设计可编程的摩擦皮肤能使软体机器人在环境导航中更通用、在操作任务中更灵巧、在触觉反馈中更灵活。此前已有研究使用预配置的各向异性摩擦表面来辅助蠕动，或通过材料组合实现被动摩擦调节。本研究旨在解决主动可编程摩擦皮肤的挑战，核心目标是通过基于双稳态结构的皮肤模块，动态改变软体机器人皮肤的各向异性摩擦行为，从而为软体机器人设计开辟新的维度。
详细工作流程： 本研究包含三个主要部分：摩擦皮肤的设计与制造、双稳态皮肤模块的变形模拟以及物理实验验证。
1. 摩擦皮肤的设计与制造： 本研究提出了一种由多个双稳态皮肤块组成的可编程摩擦皮肤。每个皮肤块的核心是一个可切换状态的锥形风箱式双稳态结构，它决定了皮肤块尖端是否与外部表面接触，从而“开启”或“关闭”该块的摩擦效应。皮肤块由三部分组成： * 双稳态锥体： 作为开关，由柔性材料（如橡胶）制成，可在正常锥形（接触状态）和折叠的风箱形（非接触状态）之间切换。研究通过改变锥壳厚度来调整其稳定性和触发阈值力。 * 各向异性摩擦尖端： 一个半球体，由高摩擦材料（柔性）和低摩擦材料（刚性）以不同模式组合而成，例如左低右高（M1）、左高右低（M2）、全高（Mb）、全低（Mw），以产生方向性的摩擦差异。 * 底座： 作为锥体的安装平台，由刚性材料制成以便于实验测量。 研究使用Stratasys Objet260 Connex3多材料喷墨3D打印机进行制造。双稳态锥体和高摩擦部分使用类似橡胶的柔性材料Tango Black Plus打印；底座和低摩擦部分使用刚性塑料材料Vero White打印。多个皮肤块以方形网格方式镶嵌，组装成完整的摩擦皮肤。
2. 双稳态皮肤模块的变形模拟： 为了分析和预测双稳态锥体的力学行为，研究采用了有限元方法进行仿真。模拟在Ansys 2023静态结构模块中进行。 * 材料建模： 将柔性材料Tango Black Plus近似为不可压缩聚合物，采用双参数Mooney-Rivlin模型进行描述。 * 仿真设置： 针对三种不同锥壳厚度（d=0.5mm, 0.75mm, 1mm，对应型号T050, T075, T100）的皮肤块进行模拟。固定底座，使锥体尖端向底座方向产生2mm的位移。 * 仿真结果： 模拟结果显示，三种型号在受压过程中均出现了最大应力的轻微平坦化，这是突弹跳变的特征迹象，表明锥体可能发生了向风箱形状的过渡。然而，仿真无法明确确认这种变形是否构成双稳态的突弹跳变（即折叠后能保持新状态）。这一疑问为后续物理实验提供了明确的研究目标。
3. 物理实验验证： 实验部分分为两个子实验，以验证仿真预测并评估皮肤的实际摩擦性能。 * 实验A：反作用力阈值测试（验证双稳态性） * 对象与样本量： 对T050、T075、T100三种型号的双稳态锥体分别进行测试。 * 方法与设备： 使用台式力学试验机（A&D MCT-2150）进行测试。将皮肤块固定在测试台上，由负载传感器向下按压并释放其尖端，每种型号重复10次。 * 结果与分析： 1. 所有三种型号在按压过程中都经历了突弹跳变阶段。 2. 锥壳越厚，反作用力越大。 3. 稳定性差异显著： T100在负载释放后立即弹回初始状态；T075能保持在第二状态但不稳定，轻微振动即可导致回弹；只有T050能够可靠地在两个稳定状态之间来回切换。分析认为，更薄的锥壳允许其褶皱以更尖锐的角度折叠，使得内部弹性能不足以使其自行弹回，从而实现了更可靠的双稳态。 * 逻辑关联： 此实验不仅验证了锥形结构双稳态行为的可行性，更重要的是确定了T050（d=0.5mm）是后续摩擦实验中最合适的稳定设计，为下一阶段实验提供了参数依据。
主要结果总结： 仿真预测了锥形结构的非线性变形和可能的突弹跳变行为。物理实验首先确认了锥形双稳态结构的可行性，并筛选出T050为最优稳定设计。在此基础上，摩擦实验成功验证了基于该双稳态开关和材料图案化设计的皮肤能够实现两种可动态切换的各向异性摩擦模式。从仿真预测到实验验证，从结构双稳态确认到功能（摩擦可调性）实现，整个工作流程环环相扣，数据互为支撑，完整地论证了“可编程摩擦皮肤”这一概念的原型可行性。
结论与价值： 本研究提出并验证了一种用于软体机器人的、基于可印刷双稳态结构的可编程摩擦皮肤设计方案。其科学价值在于首次将主动可控的双稳态开关机制与表面摩擦材料图案化设计相结合，为软体机器人的形态控制开辟了“表面摩擦主动调控”这一新维度，丰富了软体机器人的环境交互策略。应用价值潜力巨大，这种皮肤可应用于设计适应性更强的 locomotion 软体机器人（如蛇形机器人）、开发更灵巧的抓取手、以及实现更灵活的触觉反馈与人机交互。
研究亮点： 1. 创新概念： 提出了“主动可编程摩擦皮肤”的概念，将机器人形态适应的焦点从内部刚度扩展到外部摩擦，是软体机器人交互设计的重要思路拓展。 2. 方法新颖： 创造性地将双稳态结构用作微观的、可独立控制的摩擦“像素点”开关，实现了摩擦行为的动态、可重构编程。 3. 设计集成度高： 将结构设计（双稳态锥体）、材料设计（高低摩擦材料组合）和制造工艺（多材料3D打印）紧密结合，实现了从设计到原型的一体化快速验证。 4. 研究系统全面： 工作涵盖了从参数化设计、有限元仿真、双稳态力学验证到最终摩擦功能测试的全流程，论证严谨。
其他有价值内容： 论文在讨论与未来工作部分展望了多个富有潜力的方向，包括：集成气动机构以实现实时编程；优化双稳态结构的几何参数；探索其他双稳态模式（如Kresling管中的旋转屈曲）以实现更丰富的摩擦行为；将皮肤集成到蛇形等软体机器人上以增强运动步态和环境适应性；以及通过微型化皮肤块来提高皮肤分辨率，用于精细抓取和交互任务。这些展望为后续研究指明了清晰的路径。