旋轉上升，猶如絲帶舞動飄逸，化作頂端的熊熊火焰……作為歷屆奧運會中備受關注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚”一亮相就吸睛無數。

作為火炬重要部分外飄帶（外殼）的關鍵制造技術提供方，東華大學機械工程學院教授、紡織科技創新中心主任孫以澤團隊向《中國科學報》揭開了“小”火炬背后蘊藏的“大”學問。

三維球面立體編織機 受訪者供圖

為火炬“織外衣”

“這是一次藝術設計與科技創新的完美碰撞。”孫以澤對《中國科學報》說，“小小火炬背后的‘黑科技’可以用‘高新材料’‘高新裝備’‘高端制造’來概括。”

2020年8月，冬奧火炬總體承擔方上海石化找到孫以澤，并拋出一道難題——如何用碳纖維復合材料，將天馬行空的火炬外飄帶藝術造型高精度呈現出來。

火炬“飛揚”的外飄帶造型非常特殊，是一個高維曲面體，對工程化制造來說是種極復雜的異型結構件。

孫以澤最初看到的“飛揚”是個泥塑作品，那是來源于藝術家的靈感、手工塑造的精品。

要完成數字化制造、工業化生產，并且用高科技碳纖維復合材料編織成型，要突破的第一道難關就是數學建模，只有數學建模才能高精度還原和復現美輪美奐的藝術設計作品，使自動化數字制造成為可能。

為打好“地基”，孫以澤團隊數次北上，與中央美術學院火炬外形設計師團隊、北京冬奧組委相關工作人員等反復探討、修改、打磨。

去年春節期間，課題組成員還在緊鑼密鼓地做測試、改方案，從白天忙到黑夜。

功夫不負有心人，在孫以澤的帶領下，團隊攻堅克難，最終用多維曲面擬合智能算法完成了數學建模。

讓火炬“活”起來

在合作團隊位于淮安的生產車間里，一臺直徑8米的環形“大家伙”正在高速運轉，成千上百根黑色絲束交織穿梭，乍一看就像是在“織毛衣”。

只需數分鐘，它便能“織”出一件精確到克的火炬“外衣”。

孫以澤說，火炬外飄帶靈動且優美，但它是變徑、變曲率的，上下不一樣粗，曲面厚薄也不一致，傳統制造工藝無法實現。

而這個“大家伙”就是“織”火炬外衣的“秘密武器”——由東華大學獨家研制、世界首創的大尺寸異型結構件三維高精度球面立體編織機。

這臺編織機共有576個編織錠子，編織最大截面500×500毫米，是目前世界上功能最強、編制尺寸最大的三維球面立體編織機。

工作時，在環形球面軌道內，576個高速運動錠子不斷變軌，飛速交叉穿梭。

該系列編織機可編織大飛機、高鐵等大尺寸結構承力件，也可編織螺旋槳、無人機、火炬外飄帶等精密異型結構件。

“這個編織過程可以說是‘險象環生’，每個運動錠子時刻都會面臨14種碰撞可能。”

孫以澤說，“這就好比在四車道高速公路上，有幾百甚至上千輛車快速交叉穿梭通行，不僅要高速跑，還要不斷交叉、里外穿行變道跑，我們通過智能運算、精準變軌控制，才能避免出現‘交通事故’。”

為了讓這些碳纖維復合材料在編織過程中“乖乖聽話”，同時在工業生產中立體還原外飄帶柔美飄逸的感覺，該團隊研究控制算法、奇妙機構、變軌技術等，從理論推導到實驗驗證再到生產實踐，反復調試。

他們發明“偏心”編織的方法，解決了大曲率、變密度編織難題；原創了雙機器人協同夾持芯模控制算法，保證大尺寸異型結構件編織在復雜受力狀態下的動力學性能最優；研發了單紗張力全流程數字化調控技術，實現了恒張力精確編織；研發了高維曲面自動打磨的技能作業機器人系統，實現了火炬外飄帶的三維自動化立體編織和打磨。

項目技術不僅填補了國內空白，在國際上也處于領先地位。

最終，孫以澤團隊讓火炬“活”了起來，呈現出最好的“飛揚”狀態。

《中國科學報》 (2022-02-09 第4版 綜合 原標題為《“織”出來的火炬外殼》  作者 ｜ 張雙虎 黃辛  )