憑借其速度和低運輸成本，車輪是機器人運動的有利選擇。然而，車輪不能輕易地越過大障礙物，從而限制了它們在某些環(huán)境中的使用。近期Science Robotics發(fā)表的封面論文，Lee等人開發(fā)了一種剛度可調(diào)的輪子，可以實時改變，在平坦的地面上呈現(xiàn)出堅硬的圓形，在大障礙物上呈現(xiàn)出柔軟的、可變形的形狀。車輪外側(cè)的智能鏈條結(jié)構(gòu)通過輻條結(jié)構(gòu)連接到中心輪轂。輻條中的張力可以調(diào)整以適應(yīng)車輪的剛度，從而允許車輪在可變的地形上移動。車輪功能在四輪車輛和兩輪輪椅系統(tǒng)中得到了展示。

這是一個受液滴表面張力啟發(fā)的可變剛度輪。在液滴中，隨著最外層液體分子的內(nèi)聚力的增加，將液體分子向內(nèi)拉的凈力也增加。這導致高表面張力，導致液滴從引力引起的扭曲形狀恢復(fù)為圓形。同樣，車輪的形狀和剛度是通過改變最外層智能鏈塊的牽引力來控制的。隨著連接到每個鏈塊的鋼絲輻條張力的增加，車輪特性反映了一般圓剛輪的特性，這在正常平坦地面上的高速運動中具有優(yōu)勢。相反，隨著線輻條張力的減小，車輪的模量減小，并且根據(jù)障礙物的形狀，車輪容易變形。這使得輪子適合克服障礙物，而不需要復(fù)雜的控制或傳感系統(tǒng)。在此機理的基礎(chǔ)上，將輪子應(yīng)用于重達120 kg的兩輪輪椅系統(tǒng)，實時實現(xiàn)了輪椅在室外環(huán)境中駕駛時，圓形高模量狀態(tài)和可變形低模量狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

主要技術(shù)方法1.靈感來源：設(shè)計靈感來自于液滴的表面張力，液滴在外界作用力下能夠通過表面張力恢復(fù)其形狀，類似地，輪子通過改變其剛度來適應(yīng)不同的地形。

2.可變剛度機制：通過改變連接到輪子最外層智能鏈塊（smart chain block）的牽引力（即改變牽引線張力），來控制輪子的形狀和剛度。

3.智能鏈結(jié)構(gòu)：輪子的智能鏈結(jié)構(gòu)由一系列鏈塊組成，通過改變牽引線的張力，可以改變這些鏈塊的緊密程度，從而改變輪子的剛度。

4.實時狀態(tài)轉(zhuǎn)換：輪子能夠?qū)崿F(xiàn)在高剛度狀態(tài)（適合平坦地面高速運動）和低剛度狀態(tài)（易于變形以適應(yīng)障礙物）之間的實時轉(zhuǎn)換。

5.實驗系統(tǒng)：開發(fā)了一個實驗系統(tǒng)來評估輪子的基本特性，包括使用負載傳感器和激光位移傳感器來測量輪子的反應(yīng)力和位置。

實驗結(jié)果1.剛度變化驗證：實驗結(jié)果顯示，通過改變輪轂間隙距離（hub-gap distance），輪子的剛度可以顯著變化，從而影響其變形高度。

2.障礙物克服能力：輪子成功演示了在遇到障礙物時降低剛度以適應(yīng)其形狀，并在通過障礙后恢復(fù)高剛度狀態(tài)的能力。

3.車輛系統(tǒng)演示：將這種輪子應(yīng)用于四輪車和兩輪輪椅系統(tǒng)，證明了其在實際載重和戶外環(huán)境中的實用性和有效性。

4.穩(wěn)定性和牽引力：在不同載荷下測試了輪子的穩(wěn)定性和牽引力，確保了其在不同條件下的性能。

5.高速行駛評估：在高速行駛條件下，評估了輪子的振動特性，確保了其在實際應(yīng)用中的可靠性。