为冬奥火炬做科技外衣，东华研制世界最大三维球面立体编织机

团队研制的目前世界上最大的三维球面立体编织机。  本文图片均为 东华大学孙以泽团队  供图

2022北京冬奥会开幕在即，激动人心的火炬接力仪式正在进行中。旋转上升，犹如丝带舞动飘逸，化作顶端的熊熊火焰……此次冬奥火炬“飞扬”一经亮相，就吸睛无数。

澎湃新闻记者从东华大学了解到，东华大学孙以泽团队正是火炬外飘带（外壳）的关键制造技术提供方。教授孙以泽领衔的教育部优秀创新团队和上海市“教育先锋号”团队，长期致力于纺织装备与控制的科研与教学，此次率领团队攻关了火炬外飘带编织技术。

合作方淮安基地的火炬“飞扬”生产场景。

国际领先的三维立体编织技术，为火炬“织外衣”

火炬“飞扬”的外飘带造型非常特殊，是一个高维曲面体，对于工程化制造来说是一种极其复杂的异性结构件。“高新材料”“高新装备”“高端制造”，孙以泽用三个“高”字来概括火炬背后的“黑科技”。

2020年的八九月份，火炬总体的承担方上海石化找到孙以泽，抛出了一道难题——如何用碳纤维复合材料将火炬外飘带艺术造型高精度呈现出来？

孙以泽最初看到的是泥塑的火炬作品“飞扬”，那是来源于艺术家的灵感、手工塑造的精品，要完成数字化制造、工业化生产，并且用高科技碳纤维复合材料编织成型，首先要突破的第一道难关就是数学建模，只有数学建模才能高精度地还原和复现美轮美奂的艺术设计作品，使自动化数字制造成为可能。

为了打好“地基”，孙以泽率领团队数次北上，与中央美院的火炬外形设计师团队、冬奥会组委相关工作人员等反复探讨、修改、打磨。2021年春节期间课题组成员们还在紧锣密鼓地做测试、改方案，从白天忙到黑夜。“团队的博士们好几次夜里做梦，还梦到在做火炬外飘带的数学建模。”孙以泽说。

最终，团队成员攻坚克难，用多维曲面拟合智能算法完成数学建模。

孙以泽教授为团队开学术交流会。

“编织过程中，每个运动锭子每个时刻都有14种碰撞的可能”

在合作团队淮安的生产车间里，一台足有8米直径的环形“大家伙”正在高速运转着，成千上百根黑色丝束在交织穿梭，乍一看就像是在“织毛衣”，只需数分钟，便能“织”出一件精确到克的火炬外衣。

孙以泽介绍，火炬外飘带灵动且优美，但由于它是变径、变曲率的，上下不一般粗，曲面厚薄也不一致，传统制造工艺无法实现，而眼前的这个“大家伙”就是“织”火炬外衣的“秘密武器”，由东华大学独家研制、世界首创的大尺寸异性结构件三维高精度球面立体编织机。

该系列编织机可编织大飞机、高铁等大尺寸结构承力件，也可编织螺旋桨、无人机、火炬外飘带等精密异形结构件。它总共有576个编织锭子，可编织最大截面500*500毫米，是目前世界上功能最强、编制尺寸最大的三维球面立体编织机。设备工作时，在环形球面轨道内，576个高速运动锭子不断变轨飞速交叉、穿梭。

“这编织过程可以说是‘险象环生’，每个运动锭子每个时刻都有14种碰撞的可能，”孙以泽形象地说道，“这就好比在四车道高速公路上，有几百甚至上千辆车快速交叉穿梭通行，不仅是高速跑，还要不断交叉、里外穿透变道跑，我们通过智能运算、精准变轨控制，才能避免出现‘交通事故’。”

为了让这些碳纤维复合材料在编织过程中“乖乖听话”，同时在工业生产中立体还原外飘带柔美飘逸的感觉，孙以泽带领团队研究控制算法、奇妙机构、变轨技术等，从理论推导到实验验证再到生产实践，反复调试。

此外，团队发明了所谓“偏心”编织的方法，解决了大曲率、变密度编织难题；原创了双机器人协同夹持芯模控制算法，保证大尺寸异形结构件编织在复杂受力状态下的动力学性能最优；研发了单纱张力全流程数字化调控技术，实现了恒张力精确编织；研发了高维曲面自动打磨的技能作业机器人系统。实现了火炬外飘带的三维自动化立体编织和自动化打磨，项目技术不仅填补了国内空白，在国际上也处于领先地位。

最终，孙以泽团队让火炬“活”了起来，真正呈现出了最好的“飞扬”状态。

“小火炬承载大能量，我们中国有能力、有技术编织成型高精度的碳纤维复合材料！”看着电视上火炬成功传递的画面，孙以泽激动地说，“我们会用科技创新撑起大国重器的脊梁！”