动作捕捉在3D打印手性结构机械逻辑研究中的应用-度量科技

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汕头大学研究团队提出了一种基于3D打印手性结构的机械逻辑实现方法，通过多个手性单元之间的相互作用，实现连续可调刚度及机械逻辑计算。
研究构建了缓冲器、非门以及其余六种基本逻辑门，并进一步实现了半加器等组合逻辑功能，验证了该机械计算方案的可行性。
实验过程中，NOKOV度量动作捕捉系统用于追踪手性结构垂直面板上的反光标记点，计算压缩过程中的扭转角变化。
动作捕捉测量结果用于手性结构力学行为分析及结构刚度验证，为实验数据分析提供了位置测量数据支撑。
本案例展示了光学动作捕捉技术在机械超材料实验测试和结构运动测量中的应用。

汕头大学杨楠老师团队近期在Virtual and Physical Prototyping发表了题为《3D-printed chiral-based systems with reprogrammable stiffness for mechanical logics via inter-unit interactions》的研究论文。

研究提出了一种基于手性结构（chiral structures）的机械逻辑计算方法，通过多个手性单元之间的相互作用实现连续可调刚度，并进一步构建基本逻辑门以及半加器（Half-Adder）等组合逻辑系统。

NOKOV度量动作捕捉系统在研究中被用于测量手性结构压缩过程中的扭转角变化，为手性结构力学特性的量化表征提供了数据支撑。

引用格式

Z. Wang, X. Zuo and W. Dong, "Flying Co-Stereo: Enabling Long-Range Aerial Dense Mapping via Collaborative Stereo Vision of Dynamic-Baseline," in IEEE Transactions on Robotics, vol. 42, pp. 951-970, 2026, doi: 10.1109/TRO.2026.3658293.

研究背景

机械计算因具补充电子计算的潜力而重受关注，手性超材料的外载压缩-扭转耦合响应适用于机械逻辑。然而，现有可重编程机械行为示例未直接应用于机械计算，手性声学设备仅能通过拉伸在与/或门间转换，利用多个手性结构相互作用实现复杂逻辑功能的研究有限。

本文贡献

研究团队提出了一种基于具有合适的压缩-扭转行为和连续可调刚度的手性结构的方法，该方法通过它们之间的相互作用来处理数字信息。利用定制手性结构作为电信号开关，实现无电子逻辑计算。研究创建了缓冲器单元与非门，这对开发其余六个基本逻辑门（与、或、异或、与非、或非、同或）至关重要，并通过引入组合逻辑系统进一步扩展计算能力，例如已执行并测试的半加器。该方法的机械本质在苛刻环境中具优势，可实现便捷交互，从而补充传统电子计算。

方法

结构设计：子单元如图1a上部所示，含顶层圆形板和底层正方形板，由四根圆形截面支柱连接；将两个子单元组合为双层手性单元，中间板为共用（图1a下部）。单元总高52 mm，顶板支柱间距恒为d=20mm，中间板支柱锚固距离dm取10、20、40 mm三种。每个单元中间板设有四个垂直面板。如图 1b 所示。

图1 手性结构的设计及其力学行为。(a) 子单元（顶部）和单元（底部），(b) 不同支柱锚固位置的原型照片（dm= 10、20 和 40 毫米），以及通过有限元分析获得的相应冯·米塞斯应力可视化。(c) 扭转角/垂直位移趋势和力/垂直位移曲线（实验结果）。

机械性能：利用NOKOV度量动作捕捉系统追踪固定在垂直面板顶边缘的两个直径3 mm反光标记点的运动，计算手性结构旋转的扭转角θ。动作捕捉系统与万能试验机CMT5105协调运行，压缩手性结构的顶面，施加ΔL=5mm垂直位移。测试三个不同几何样品，记录压缩力和位移，通过拟合弹性区域力-位移曲线获得结构刚度。

结果与讨论

单个单元的力学特性：压缩时支柱弯曲（图 1b），最大冯·米塞斯应力（von Mises stress）位于支柱与顶板交界处。dm越小应力越高。图1c中的实验趋势表明，在垂直位移相同的情况下，dm越大，扭转角越小，驱动力越低。扭转角-位移曲线近似线性，力-位移曲线接近抛物线。dm = 20 mm为折中方案，它有助于在循环使用中保持单元完整性，同时在给定的垂直位移下能产生显著的扭转角。

表 1. 在中间板上支柱锚固距离dm不同的三个单个单元的模拟和测量刚度值k（见图 1）

两个单元间的相互作用：图2中可见的两个单元之间的相互作用实现了可重编程刚度。左侧单元固定，右侧单元可滑动，当两个接触单元的垂直面板之间的重叠距离s发生变化时，组件的刚度会相应地改变。图 2b 中报告的测量结果涉及图 2c 中描绘的四种场景。

图 2. 包含两个单元的系统的可重编程刚度。(a) 两个单元及其基底的可视化，指示了重叠距离s。(b) 在s = 10、5、2 和 0 mm，以及 dm = 20mm 时测量的力-位移曲线，以及 (c) 对应的两个单元组件的照片。(d) 两个单元中产生的冯·米塞斯应力以及 (e) 在 5 mm 压缩下的变形。

表 2. 支柱之间距离 dm = 20mm 时，重叠距离s = 0、2、5 和 10 mm 的两个相互作用单元的测量刚度值k（见图 2）

五个单元间的相互作用：组合更多单元会增加可重编程刚度的可用值。如图 3a 所示，研究团队利用专用基底连接了五个单元。中心单元固定在紧密的凹槽内，并与四个相邻的单元相互作用，这些相邻单元只能在它们的凹槽内单向滑动，以实现不同的重叠距离s。

图 3. 通过组合五个dm = 20 mm 的单元实现可重编程刚度。(a) 以蓝色方块为图解的中心（固定）单元与四个（滑动）相邻单元相互作用。(b) 基于相邻单元不同调整（模式）测量的力-位移曲线。(c) 四个感兴趣模式（AAAA、ABBC、BBCC 和 CCCC）的实验照片，其中字母 A、B 和 C 表示单元之间垂直面板的重叠距离分别等于s = 10、5 和 0 mm 。(d) 中心单元与四个邻居相互作用的俯视图，单元之间的重叠距离被二值化，使用s = 10 mm 表示为“1”，s = 0 mm 标记为“0”；(e) 相应的测量力-位移曲线；(f) 可实现模式的照片。