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出版者:Springer Verlag

作者:Kim, Kwang Jin (EDT)/ Tadokoro, Satoshi (EDT)

出品人:

页数:281

译者:

出版时间:

价格:1305.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9781846283710

丛书系列:

图书标签:

• Electroactive Polymers
• Robotics
• Artificial Muscles
• Soft Robotics
• Actuators
• Sensors
• Materials Science
• Polymer Science
• Mechatronics
• Automation

智能材料与仿生系统：跨学科前沿探索 图书简介 本书旨在为读者呈现智能材料领域，特别是那些具有自适应、响应性特征的先进材料，在机器人技术与仿生系统设计中的最新研究成果与应用前景。全书结构严谨，内容深入浅出，覆盖了从基础理论到尖端工程应用的广阔范围，力求展现该领域跨学科融合的强大生命力。 第一部分：智能材料的基石 本部分聚焦于构成现代智能系统的核心材料体系，为后续应用章节奠定坚实的理论基础。 第一章：先进聚合物与复合材料的本征特性 本章深入探讨了功能性高分子材料的微观结构与宏观性能之间的内在联系。重点分析了如何通过分子链的排列、交联密度以及填料（如碳纳米管、石墨烯、特定金属氧化物颗粒）的引入，精确调控聚合物的力学、热学、电学和光学响应特性。详细阐述了形状记忆聚合物（SMPs）的相变机制，包括马氏体和奥氏体的转化过程，以及驱动温度（$T_{trans}$）对实际应用的影响。此外，还分析了光敏、温敏和湿敏聚合物在外界刺激下的响应动力学模型，为设计精确控制的执行器打下基础。讨论了如何利用有限元分析（FEA）工具对复杂聚合物复合材料的非线性行为进行建模和预测。 第二章：电活性与磁活性材料的驱动原理 本章将智能材料的响应机制从热力学和力学层面扩展至电磁场驱动。核心内容围绕介电弹性体（DEAs）和压电材料展开。对于DEAs，详细解析了在高电场作用下其电致伸缩效应的理论基础，包括库仑力与弹性恢复力的平衡分析，以及面内应变与厚度压缩之间的关系。讨论了电击穿的临界条件及其在实际应用中体积限制的克服策略。在磁活性材料方面，重点介绍了磁流变弹性体（MREs）中磁性粒子的定向排列如何瞬时改变材料的模量和阻尼特性。本章还探讨了如何设计多功能集成传感与驱动一体化的复合结构。 第二部分：机器人执行器与驱动系统 基于第一部分建立的材料基础，本部分将视角转向如何将这些智能材料转化为实际工作的机械执行机构。 第三章：软体机器人中的弹性驱动单元 软体机器人是当前机器人学研究的热点，本章聚焦于如何利用柔性材料的固有特性实现仿生运动。详细介绍了基于气动或液压驱动的软体机构设计范式。重点分析了如何通过非对称结构设计（如空心腔体、锚固支撑层）来控制致动器的弯曲、扭转或伸长方向。阐述了软体抓手（Soft Grippers）的设计哲学，强调了接触力、摩擦系数与材料弹性模量之间的优化关系，以实现对易碎物体的无损抓取。讨论了柔性驱动器在复杂、非结构化环境中的鲁棒性问题。 第四章：仿生肌腱与人工肌肉设计 本章专注于模仿生物肌肉的功能单元——肌腱和肌肉纤维。探讨了不同类型的“人工肌肉”的能量密度与功率密度比较。详细分析了电活性聚合物（EAPs）作为驱动源的应用，特别是聚合物凝胶和离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）的电化学驱动机理。对于IPMCs，深入讨论了水合状态对离子迁移率的影响，以及如何通过优化电极材料（如铂黑、导电聚合物）来提高其弯曲效率和工作频率。本章还包含了一系列基于电磁耦合的快速响应驱动器案例研究，展示了其在快速振动、跳跃等高动态应用中的潜力。 第五章：集成传感与反馈控制 有效的智能系统必须具备感知环境的能力。本章探讨了如何将传感功能“织入”驱动材料本身，实现自感知驱动器（Self-Sensing Actuators）。详细介绍了通过监测材料的电学阻抗变化、压电响应变化或电阻率漂移来实时估计应变、压力或温度的方法。讨论了分布式传感网络的构建，以及如何利用基于机器学习的算法来解耦和解释复杂的传感信号，从而实现闭环反馈控制。阐述了如何将柔性电子技术与三维打印技术结合，制造出具有预置传感路径的整体式驱动结构。 第三部分：系统集成与前沿应用 本部分将前述的材料与驱动技术集成，应用于更宏观的机器人系统与生物工程领域。 第六章：自适应运动学与变形结构 本章关注机器人整体的形态变化能力。探讨了基于流体动力学驱动的变形机器人（Morphing Robots）的设计。案例分析集中在如何利用智能材料实现飞机机翼的自适应变后掠角、管道内巡检机器人的管壁贴合与爬升，以及四足机器人的动态足端接触优化。强调了如何利用拓扑优化方法来设计具有特定变形模式的结构骨架，并用智能材料填充或驱动这些骨架。讨论了多稳态结构设计在节能与快速模式切换中的作用。 第七章：仿生传感与人机交互界面 本章将智能材料的应用扩展到更贴近人类的领域。详细介绍了基于电子皮肤（E-Skin）的触觉传感器阵列的设计。分析了电容式、压阻式和摩擦纳米发电机（TENGs）驱动的触觉反馈机制，重点研究如何模拟人类指尖的精细压力梯度和剪切力感知。在人机交互方面，讨论了如何利用形状记忆合金（SMAs）或电活性聚合物制造具有触觉反馈的假肢或外骨骼界面，以增强使用者对操作对象的真实感反馈。 第八章：智能材料在生物医学机器人中的挑战与机遇 本章探讨了智能材料在微纳尺度机器人和体内植入设备中的应用前景。讨论了如何利用生物相容性聚合物设计可注射的微型机器人（Injectable Robots）。分析了磁场导向系统在活体导航中的应用，以及如何利用光热效应或超声波激活的响应性材料来实现靶向药物递送或微创手术操作。最后，讨论了生物降解性智能材料在临时性植入设备设计中的重要性，以及如何控制其降解速率以匹配治疗周期。 结论：迈向自主智能系统 本章对全书内容进行总结，并展望未来研究方向。指出下一代智能系统将更加依赖于材料层面的计算能力（Material Computing），实现无需外部复杂控制器即可完成的高级决策。强调了材料设计、控制理论与计算建模三者深度融合的必要性，为构建真正自主、柔性、高效的机器人系统指明了方向。 全书共计八章，内容涵盖了从微观分子调控到宏观系统集成的完整技术链条，是该领域研究人员、工程师和高年级学生的宝贵参考资料。

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