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新一代软机器与智能

讲师：刘子顺
日期：3.19

一、职业挑战？

• 吊车问题 → 力学平衡计算

二、力学基础概念

• 应力（Stress）：$\boldsymbol{\sigma = \frac{F}{A}}$（类比“压强”，力/面积）
• 应变（Strain）：$\boldsymbol{\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}}$（形变与原长的比值）
• 强度、刚度、稳定性：材料/结构的力学性能指标

三、人体力学与生物应用

• 人体力学利用：高跟鞋问题（力学设计）、生物力学利用（如鼾声分析）
• 结构强度案例：巴塞罗那大教堂（无直线，全砖建）→ 重力学

四、钢琴结构与材料

• 钢琴结构：水凝胶（软机器）→ 硬机器（传统）→ 软机器（未来趋势）
• 材料方向：智能软材料（未来三十年核心科技之一）

五、软材料与仿生科技

（1）候选材料

• 水凝胶、介电弹性体

（2）特性与应用

• 特性：弹性、人体机能模拟、外界交换
• 高分子网络 + 水分子 → 凝固（如布丁、豆腐）
• 隐形眼镜 → 人体软骨/半月板修复
• 2003 龚剑萍：双网水凝胶（water: 90%，stretch: 21）→ 光照自动走
• 负泊松比材料：越拉越粗（力学反常识）
• 水凝胶模具、导线（可逆拉伸）、皮肤再生、半月板修复

六、模式转换（力学→功能）

• 公式：$\square \rightarrow \triangle \rightarrow \square$（形状/性能切换）
• 改变温度 → 表情随之改变（软机器+AI=机器人）

七、软物质力学（仿自然）

• 叶序（花朵形状、瓜的形状）→ 成功力学解释
• 叶片干的过程 → 力学
• 花早开/晚开 → 温度调控
• 苦瓜变形、苹果、仙人掌、青椒 → 形状记忆聚合物（不同温度、光、pH → 不同形状）

应用案例

• 飞机改变翅膀（气动优化）
• 卫星太阳能板打开（空间展开）
• 花开、血管支架（生物医学）