每经编辑｜陈国舜    

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划破陈规(gui)，机械传动(dong)新(xin)纪元的(de)黎明

想(xiang)象一下，在那(na)些精(jing)密运(yun)转的(de)机(ji)械心脏(zang)中，是否存在(zai)着(zhe)一种(zhong)超越(yue)现(xian)有局限的(de)传动方(fang)式？一(yi)种能(neng)够赋予(yu)运动以极致(zhi)自由，却又(you)精准(zhun)可控(kong)的解(jie)决方(fang)案？“性(xing)别(bie)自由凸(tu)轮管与性(xing)别(bie)管(guan)球”——这(zhe)个听(ting)起(qi)来(lai)颇(po)具(ju)未来(lai)感(gan)的(de)词汇，正(zheng)是(shi)我们(men)今天探(tan)索的(de)主题。它并非来自(zi)科幻小说，而是(shi)代表(biao)着(zhe)机械(xie)传动设计领域一场深(shen)刻(ke)的范式转移。

传统(tong)机械(xie)传动，尤(you)其是(shi)凸(tu)轮机构，虽然在(zai)工业(ye)界应用广泛(fan)，却往(wang)往受限(xian)于(yu)设计上(shang)的固(gu)有模(mo)式。凸轮(lun)的(de)形状决定了(le)运(yun)动的轨迹(ji)，而这(zhe)种轨(gui)迹一(yi)旦确(que)定，便(bian)难以(yi)在(zai)运(yun)行时进(jin)行动态(tai)调(diao)整。每(mei)一次运(yun)动(dong)的(de)改变(bian)，都意味着(zhe)对(dui)凸轮进行物理上(shang)的重塑，这(zhe)不仅耗时(shi)耗力，也(ye)限(xian)制(zhi)了(le)其在需要高度(du)适应性和柔性(xing)的应(ying)用场景中的表现(xian)。

就像一位被(bei)固定了(le)舞步(bu)的舞者(zhe)，即使(shi)拥有(you)绝佳的技(ji)巧，也只能在(zai)预(yu)设的(de)轨(gui)道上翩(pian)翩(pian)起(qi)舞。

而“性别自由(you)凸轮(lun)管与(yu)性别管球(qiu)”的(de)出(chu)现，正是要(yao)打破(po)这层束缚。这(zhe)里(li)的“性别自由(you)”，并(bing)非指(zhi)生(sheng)物(wu)学意义上的(de)性(xing)别，而(er)是(shi)一种抽(chou)象的(de)、象征性的(de)“属(shu)性(xing)自(zi)由”。它寓意(yi)着(zhe)传(chuan)动组(zu)件不再(zai)被僵化(hua)的形态(tai)所定义，而是能够(gou)根据实时需(xu)求，动(dong)态地调整(zheng)其“属(shu)性”，从(cong)而实现(xian)更(geng)灵(ling)活、更智(zhi)能的运动控(kong)制。

我们(men)不妨将“性(xing)别自由凸轮(lun)管(guan)”想象成(cheng)一(yi)个(ge)高(gao)度(du)智能化(hua)的“导(dao)轨(gui)系统(tong)”。它不再(zai)是预先切割好(hao)的固定(ding)槽，而(er)是(shi)一个能够(gou)根据(ju)外部(bu)指令(ling)，实时(shi)改变(bian)其(qi)内部空间形状和导向(xiang)特性的“通(tong)道”。这或许是(shi)通(tong)过先(xian)进的材料(liao)科学，例如(ru)形(xing)状记忆(yi)合(he)金或电(dian)活(huo)性(xing)聚(ju)合(he)物(wu)来实(shi)现的(de)，它们(men)能(neng)够在(zai)外加电(dian)场、磁场(chang)或温(wen)度变(bian)化(hua)时(shi)，发生可(ke)逆的形(xing)变，从(cong)而(er)改变(bian)凸轮管的(de)内(nei)部轮(lun)廓。

而“性别管球”，则是这个智能(neng)导(dao)轨(gui)中(zhong)的(de)“使用(yong)者”。它(ta)不再是被动地(di)沿着(zhe)固定(ding)轨迹滑(hua)动，而(er)是能够与不断(duan)变(bian)化(hua)的(de)凸轮管内(nei)壁(bi)进行智能交(jiao)互(hu)。想(xiang)象一下，一个(ge)拥有(you)传感和(he)反馈能(neng)力的球(qiu)体(ti)，它不(bu)仅(jin)能感(gan)知自身在通道(dao)中(zhong)的位(wei)置，还能(neng)实(shi)时传(chuan)递(di)信息(xi)，甚至根据与(yu)管(guan)壁的接触力、摩(mo)擦力(li)等(deng)数据，调(diao)整自(zi)身的运动(dong)姿态，以达(da)到最佳的传动效果(guo)。

这种交互(hu)，更像(xiang)是一(yi)种“协商”而非(fei)“指令”，是(shi)一种(zhong)动态的(de)、实时的“对话(hua)”。

这种设计(ji)的(de)核(he)心在于“解(jie)耦”。传统的凸轮(lun)机构，凸轮(lun)的(de)形状与运(yun)动轨迹是高度耦合的(de)。而“性别自由凸(tu)轮管(guan)与(yu)性(xing)别管(guan)球”的(de)设(she)计(ji)理念(nian)，则是(shi)将(jiang)“形(xing)状”与“运动(dong)”进行(xing)解耦，将“结(jie)构(gou)”与“功能(neng)”进行(xing)动态适配。凸轮(lun)管(guan)的“属性(xing)”可以自(zi)由变化，而管球(qiu)则根据(ju)这些动态变化(hua)的“属性(xing)”，智能地调整(zheng)其运(yun)动，最终实现我们期(qi)望的传动效果(guo)。

其潜在的应用(yong)场景，几(ji)乎覆盖了所有(you)需(xu)要精(jing)确、灵(ling)活(huo)运(yun)动控(kong)制的领(ling)域。在高(gao)端医疗器(qi)械中，手术机(ji)器人需(xu)要极其精(jing)细且(qie)可变的(de)操作路(lu)径，以(yi)适(shi)应不同(tong)手术的复杂需(xu)求。“性(xing)别自由(you)”的(de)设(she)计(ji)，可以(yi)使机(ji)械臂(bi)末(mo)端执行(xing)器能够以(yi)“意想(xiang)不到”的角(jiao)度和(he)轨迹(ji)进行运动，实现(xian)微(wei)创(chuang)手术(shu)的更多可能。

在(zai)航空航(hang)天领域(yu)，需(xu)要能够(gou)适应(ying)极端环(huan)境(jing)变化(hua)、执行(xing)复杂(za)任务(wu)的机构，这(zhe)种动态适(shi)应性(xing)将是(shi)革(ge)命性的。在(zai)高(gao)性(xing)能(neng)自动化生(sheng)产线上，能(neng)够快速切(qie)换(huan)产品模(mo)式、优(you)化(hua)生(sheng)产流(liu)程的(de)柔性制造(zao)系统，也(ye)将从中(zhong)获益(yi)匪浅(qian)。

我(wo)们(men)甚至(zhi)可(ke)以(yi)设想，这种(zhong)设(she)计可以模(mo)拟生物体的(de)运动方(fang)式(shi)。生物(wu)体(ti)的关节(jie)和肌肉，正是通(tong)过无(wu)数细小的、可动(dong)态(tai)调整(zheng)的单元(yuan)协同工作(zuo)，实现(xian)复杂(za)而精妙的运动(dong)。而(er)“性(xing)别自由凸(tu)轮管(guan)与性(xing)别管球”的理念(nian)，正(zheng)是(shi)试(shi)图(tu)在机(ji)械领域，构(gou)建一种类似的、更加(jia)“有机(ji)”的运(yun)动控(kong)制体系(xi)。

实现这(zhe)一愿景，绝非易(yi)事。它(ta)需要(yao)跨学(xue)科的深(shen)度融合(he)：先进的材料(liao)科(ke)学(xue)提供可(ke)变(bian)形(xing)的(de)“凸轮管”和智(zhi)能化的“管球”；人(ren)工智(zhi)能(neng)和(he)控(kong)制(zhi)理论(lun)则负(fu)责设(she)计(ji)精(jing)密(mi)的控制(zhi)算法，实现(xian)动(dong)态(tai)的“属性”调(diao)整和(he)智能的“交(jiao)互”；精密(mi)的制造(zao)工艺(yi)则保(bao)障这(zhe)些微(wei)观层面的创(chuang)新(xin)能够被(bei)实现并(bing)稳定(ding)运行。

但正是这份挑(tiao)战，彰显了其(qi)蕴含的(de)巨大潜力(li)。一旦(dan)技术(shu)成熟，我们将迎来一(yi)个全新的(de)机械传动(dong)时代(dai)。运动不再(zai)是被(bei)动(dong)的执(zhi)行(xing)，而(er)是主(zhu)动(dong)的适(shi)应和(he)创造。每(mei)一(yi)个机械装置，都(dou)可能拥(yong)有(you)“灵魂(hun)”，能够像(xiang)生命(ming)体(ti)一样(yang)，感(gan)知环(huan)境(jing)、调整自(zi)身(shen)、实现(xian)最优(you)化(hua)的(de)运(yun)动(dong)。

“性别(bie)自由凸轮(lun)管(guan)与性别(bie)管(guan)球(qiu)”所代表的(de)，正是(shi)这样(yang)一(yi)种超越(yue)陈(chen)规(gui)、拥抱(bao)无限(xian)可能的(de)未来。它(ta)不仅仅是一种(zhong)新的机械设计(ji)，更是一种(zhong)新的(de)哲学(xue)思考(kao)：如何(he)让机械更加智能、更(geng)加(jia)灵活、更(geng)加贴近(jin)生命体(ti)的智慧(hui)。这(zhe)场关(guan)于机械(xie)传动(dong)创(chuang)新(xin)的革命(ming)，正悄(qiao)然拉(la)开序幕。

赋能(neng)高效(xiao)能(neng)运动(dong)控制，颠(dian)覆传统设计(ji)思维(wei)

在上(shang)一部分(fen)，我们初(chu)步勾(gou)勒了“性别(bie)自(zi)由凸轮(lun)管与(yu)性别管球”这一(yi)概(gai)念(nian)的(de)革(ge)命性(xing)潜力(li)，以(yi)及(ji)它(ta)如(ru)何(he)打破(po)传(chuan)统(tong)机(ji)械传动(dong)的僵化(hua)束缚。现(xian)在(zai)，让我(wo)们更深入(ru)地探(tan)究，这(zhe)一创(chuang)新设(she)计将(jiang)如(ru)何具(ju)体(ti)赋(fu)能高效能运(yun)动控制(zhi)，并(bing)彻底(di)颠覆我们固有(you)的设计(ji)思维。

传(chuan)统凸(tu)轮机(ji)构的局限性(xing)，主要体(ti)现在其“静态”的特性(xing)。一旦(dan)凸轮(lun)被加(jia)工成(cheng)型，其(qi)运动(dong)轨迹(ji)便(bian)已(yi)固定。这(zhe)意(yi)味着，如果需(xu)要改变(bian)运动(dong)速度、加速(su)度、方向(xiang)，或者需(xu)要实现(xian)更(geng)复杂的非(fei)线性运动(dong)，就必(bi)须(xu)重新设计、加(jia)工凸轮。这(zhe)在需要(yao)快速响(xiang)应和(he)柔(rou)性(xing)生产(chan)的现代(dai)工(gong)业环境中(zhong)，是(shi)难以接(jie)受的。

就像一个(ge)厨师，如果只能(neng)用一把(ba)固(gu)定的(de)刀来切(qie)所有食(shi)材，那(na)么他很难(nan)做出(chu)精致的菜(cai)肴。

“性别(bie)自由凸(tu)轮管(guan)与(yu)性别管球”的核心(xin)优势，恰恰(qia)在(zai)于(yu)其“动(dong)态”和(he)“自(zi)适应”的(de)能力(li)。这里的“性(xing)别自(zi)由”，可(ke)以理(li)解为(wei)允许(xu)传动(dong)机(ji)构(gou)的“运动方(fang)程(cheng)”在运行过程(cheng)中实(shi)时调整。

试(shi)想，一个(ge)“性别自(zi)由凸(tu)轮管(guan)”，其内部的“导向(xiang)槽(cao)”可(ke)以通过电磁场(chang)、微(wei)型液压系统(tong)，甚至压(ya)电(dian)效(xiao)应(ying)来(lai)动(dong)态(tai)改(gai)变其(qi)曲率(lv)和(he)角度(du)。而(er)“性别(bie)管球”，它可(ke)能集(ji)成(cheng)了(le)微型(xing)传感器，能(neng)够实(shi)时监测其(qi)与凸轮管壁(bi)的接触(chu)压(ya)力(li)、摩擦系数(shu)，并(bing)能接(jie)收来自(zi)控(kong)制系(xi)统的指(zhi)令。

例(li)如，当(dang)需要管球以(yi)极(ji)高的(de)速度(du)通(tong)过某一(yi)段通(tong)道(dao)时(shi)，凸(tu)轮(lun)管(guan)可(ke)以(yi)自(zi)动(dong)调(diao)整其形状，使通(tong)道在入口(kou)处更(geng)宽阔(kuo)，出(chu)口(kou)处收(shou)窄(zhai)，从而实现(xian)平(ping)滑的(de)加速(su)和减速，避(bi)免剧(ju)烈的冲击(ji)。当需要(yao)管(guan)球进(jin)行复杂的“摆动”或(huo)“旋(xuan)转”动(dong)作(zuo)时，凸轮管的(de)内部导(dao)向(xiang)面可(ke)以瞬间(jian)调整，形(xing)成一(yi)个立(li)体的、动(dong)态的(de)“轨道”，引(yin)导管(guan)球完成指(zhi)令。

这(zhe)种(zhong)动态调(diao)整，将(jiang)大(da)大提升运(yun)动(dong)控制的“效(xiao)率”和“精(jing)度(du)”。

首先是(shi)“高(gao)效能(neng)”。在需要高(gao)频率(lv)、高精度运(yun)动(dong)的(de)场景(jing)下，传统的(de)机械(xie)结(jie)构(gou)往往需(xu)要(yao)经(jing)过(guo)大量(liang)的(de)优化和妥(tuo)协(xie)，以平(ping)衡速度(du)、平稳(wen)性和可(ke)靠性。而“性(xing)别自由(you)”的(de)设计，能够根(gen)据实(shi)际(ji)运(yun)行(xing)需求(qiu)，实时优化(hua)传动路径(jing)，避(bi)免不(bu)必(bi)要的能量(liang)损耗和机(ji)械冲(chong)击。例如，在高速(su)往复运动(dong)中，通过(guo)动(dong)态调整凸(tu)轮管的形(xing)状，可以最(zui)大限度地(di)减少运动的加速度峰值(zhi)，从而(er)降低(di)对(dui)材(cai)料的(de)应(ying)力(li)，延长(zhang)设备(bei)寿命(ming)，同(tong)时(shi)减少能耗(hao)。

其次是“高(gao)精度”。通过精密(mi)的(de)控(kong)制算法，我(wo)们(men)可以实(shi)现(xian)对运(yun)动(dong)轨(gui)迹的近(jin)乎(hu)完美的(de)“定制”。传(chuan)统(tong)的(de)凸(tu)轮机构，制造精(jing)度直接决(jue)定了运(yun)动(dong)精度。而“性(xing)别自由(you)”的(de)设计，即(ji)使(shi)在材料存(cun)在(zai)一(yi)定公差的(de)情(qing)况(kuang)下，也能通(tong)过反馈控(kong)制，实(shi)时校(xiao)正运(yun)动(dong)偏(pian)差，实现纳(na)米级(ji)的精度(du)控制。这(zhe)对于半导(dao)体制造(zao)、精(jing)密光学仪(yi)器等领域，具(ju)有(you)划(hua)时(shi)代(dai)的(de)意义(yi)。

这种设(she)计(ji)理念，也将(jiang)深刻地(di)影(ying)响我(wo)们的“设计(ji)思维”。

从“静(jing)态(tai)优(you)化”到“动(dong)态(tai)自适(shi)应(ying)”：过去(qu)，我们花(hua)费大(da)量(liang)精力去(qu)设计一个“最优(you)”的静(jing)态结(jie)构。现(xian)在，我们更需(xu)要(yao)设计(ji)一(yi)个能够(gou)“自我(wo)优(you)化”的系(xi)统。设(she)计(ji)重点将从(cong)“形(xing)状(zhuang)”转向“控(kong)制(zhi)逻辑(ji)”和(he)“材(cai)料(liao)行为(wei)”。

从“固定功(gong)能(neng)”到“柔性(xing)多功能”：一(yi)个(ge)机械组(zu)件不再只承担单一的、固定的(de)功能(neng)。通(tong)过软件或硬件(jian)的(de)微调(diao)，它(ta)可以(yi)实现多种运(yun)动模式，大大提(ti)升了(le)设备(bei)的可(ke)重(zhong)构(gou)性和(he)生命周期价(jia)值。

跨学科融合的(de)必然性：如前(qian)所(suo)述，实(shi)现这(zhe)一(yi)目(mu)标，需要材(cai)料科(ke)学、控(kong)制工程(cheng)、人(ren)工智(zhi)能、精密制(zhi)造等(deng)多(duo)个(ge)学科(ke)的(de)深度(du)合(he)作。设(she)计者需要具备(bei)更广阔的知(zhi)识(shi)视野(ye)，能(neng)够整合(he)不同领(ling)域(yu)的最(zui)新成(cheng)果。

“模(mo)拟生(sheng)命”的机械(xie)设计(ji)：将生(sheng)物(wu)体的高效(xiao)、灵(ling)活、自适应(ying)的(de)运动(dong)机制，通(tong)过抽象和(he)工程(cheng)化的(de)方式(shi)，融入(ru)机(ji)械设(she)计(ji)中。这(zhe)是一(yi)种“以生(sheng)命(ming)为(wei)师”的工(gong)程(cheng)范式。

当然，要(yao)将“性(xing)别自由凸(tu)轮管(guan)与性(xing)别管球”从(cong)概念(nian)变为(wei)现实，仍面临(lin)巨大的技(ji)术挑战(zhan)。例(li)如(ru)，如何设(she)计(ji)出响(xiang)应速(su)度(du)足(zu)够快(kuai)、精度(du)足(zu)够(gou)高的(de)动态变(bian)形(xing)机构？如(ru)何(he)开发(fa)出能(neng)够处理海量实(shi)时反(fan)馈数(shu)据的(de)复杂(za)控制(zhi)算法(fa)？如何(he)保(bao)证这(zhe)些复杂系统(tong)的长期可靠性(xing)和稳(wen)定性(xing)？

但(dan)这(zhe)些挑战(zhan)，正是科技(ji)进(jin)步的(de)驱动(dong)力。一(yi)旦(dan)这(zhe)些(xie)技术瓶(ping)颈被突(tu)破(po)，我们(men)将见(jian)证机(ji)械传(chuan)动领(ling)域一(yi)场史无前例(li)的(de)变革。那(na)些(xie)曾(ceng)经(jing)被认(ren)为(wei)不(bu)可(ke)能实(shi)现(xian)的运动轨迹，那(na)些(xie)对传(chuan)统(tong)机械(xie)而言过(guo)于苛刻的运(yun)行条(tiao)件，都(dou)将成为现实。

“性(xing)别自由凸轮管与(yu)性别管球”并非一(yi)个终(zhong)点，而(er)是(shi)开启一(yi)个全(quan)新探索方向的(de)起点(dian)。它(ta)代表着机械设计(ji)向着(zhe)更智(zhi)能、更灵活、更高(gao)效(xiao)的(de)方向迈(mai)进的决(jue)心。它鼓励(li)我们打破思维定势(shi)，去设(she)想那些“不可(ke)能(neng)”，并(bing)致(zhi)力(li)于(yu)将它们变为可能。在这个过程(cheng)中，我们(men)不仅创造(zao)了(le)新的机械(xie)，更革(ge)新了我们(men)的工(gong)程能力和对“运(yun)动”本(ben)身的理解(jie)。

未来(lai)的(de)机械(xie)，将(jiang)不再是(shi)冰(bing)冷(leng)的(de)机器(qi)，而是拥(yong)有“智慧(hui)”和(he)“生命力(li)”的(de)伙(huo)伴，为(wei)人类社会的(de)发展注(zhu)入更(geng)强的动力。

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图片来源：每经记者 陶红丽 摄

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封面图片来源：图片来源：每经记者 名称 摄