先进材料的力学设计与三维组装

        材料是人类文明进步的基石。航空航天等现代工业的发展历史表明，每一代新材料的出现，都将推动原有装备的技术革新。过去新材料的研制路径主要遵循材料科学引领，相关学科（例如力学）跟进的方式。力学工作者通常只能在材料学家合成好的材料基础上进行性能分析，而自身却很难创造出一种完全崭新的材料。这种局面是由学科知识特点以及技术发展水平所决定的。近年来，随着先进计算设计与数字化制造技术的大力发展，不同学科间的交叉融合愈来愈紧密，一种由力学牵引、力学与制造协同推进的新材料研发范式正在孕育和发展之中。在这种新的范式下，力学家们可以通过对不同原材料的自下而上组装——形成三维空间中跨越多个尺度的层级结构，创建出具有优异性能的块体材料，而不必要求原材料本身具有多么突出的力学性能。新范式下诞生的材料能够利用组分的复合化与结构的层级化集高强度与高韧性等矛盾属性、结构与功能特性于一身，从而具备媲美天然生物材料（例如贝壳、墨鱼骨等）优异综合性能的潜力。新的研发范式不同于以往材料学家主导的、以试错为主的经验模式，而以力学等较为严密理论体系为支撑，带有显著理性特征，允许研究人员根据具体服役需求(力、电、磁、声、光、热等)理性设计材料属性，从而极大缩短新材料的研制周期，丰富现有工程材料的性能空间。

        新的研发范式极为强调先进制造所应具有的强大能力，从而能够高效实现理想中的多组分多层级结构设计方案。然而，目前以三维打印为代表的数字化制造手段及相应材料体系还很不成熟。一方面，目前能够实现的组分种类及性能很有限；另一方面，对于材料使用至关重要的组成成分、微观结构、制备工艺与服役性能间的映射关系，目前还极为匮乏。课题组当前围绕先进材料的力学设计与三维组装方向开展理论、计算与实验研究，主要关注以下几个方面的内容：（1）多相材料组装的新原理与新方法；（2）材料强韧化与智能化的多尺度结构设计；（3）三维成型材料的宏细微观力学行为。

自主飞行微型机器人的设计与制造

        自然界中的一些昆虫（例如蜻蜓、蜜蜂等）具有高超的飞行技巧，常常能够进行急停、急飞，甚至倒飞等高难度动作，且能够轻易停靠在各类非结构化表面，这些突出技能得益于昆虫轻盈且柔性的身形构造以及翅膀高频扇动带来的可控升力与推力。然而，人类目前还没有掌握与昆虫具有相近尺寸、相似飞行原理的微型飞行器的相关技术。与目前较为成熟的旋翼类无人飞行器相比，昆虫级微型飞行器具有体积小、隐蔽性强、灵活性高等特点，能够弥补前者在诸多方面的不足（噪音大、抗撞性差、对降落点要求高以及在极端狭窄空间无法适用等）并与之形成优势互补，在军事侦察、气象监测和灾难救援等领域发挥重要作用。

        然而，昆虫级微型飞行器的设计与制造存在很大挑战。体积的减小对包括驱动器、传感器、驱动&控制电路、供电装置、机身结构与传动机构等在内的飞行器基本组件的轻量化要求达到了几乎苛刻的地步（例如，驱动电路因为高度紧凑的器件构型导致传统PCB板式的二维电路布局成为奢侈），且传统电磁电机在小尺度下不再能延续大尺寸下的高工作效率，必须采用新的高效的驱动方案。这些现实困难要求小尺度飞行器必须采用与传统飞行器截然不同的设计理念，而且要把多种组件进行相互融合和一体化处理，从而在有限空间内实现不同功能要求。除了设计方面的困难，目前在制造这样高度微型化、集成化和三维化的飞行器方面也没有较好的、成熟的手段。一方面，尽管MEMS技术能够处理亚毫米甚至微米尺度的器件，但却不支持器件具有很高的纵横比，因此难以实现复杂三维构型；另一方面，现有的三维打印技术虽然支持复杂结构成型，但材料性能却往往不够理想，且难以与高性能导电材料、驱动材料等功能材料进行高分辨率结合，导致性能优异的小尺度器件较难实现。

        为了实现昆虫级微型飞行器的自主可靠飞行，课题组目前主要针对以下内容开展研究：（1）多组件一体化制造系统的开发；（2）微型飞行器的轻量化与智能化设计；（3）飞行器的飞行特性与自主控制。