冰火相約，激情“飛揚”，2月2日上午北京冬奧會火炬接力啟動，2月2日—4日在北京、延慶、張家口3個賽區進行火炬傳遞。這支“飛揚”火炬的旋轉上升姿态，猶如絲帶舞動飄逸，頂端化作熊熊火焰……

北京2022年冬奧會火炬接力啟動儀式在北京奧林匹克森林公園舉行。 新華社記者 賈浩成 攝

你知道嗎？冬奧火炬是“穿外衣”的，而且是碳纖維衣。在合作研制團隊淮安的生産車間裡，一台足有8米直徑的環形“大家夥”高速運轉着，成百上千根黑色絲束在交織穿梭，乍一看就像在“織毛衣”，隻需數分鐘，便能“編”出一件精确到“克”的火炬外衣。

合作方淮安基地的火炬“飛揚”生産場景

夜裡夢到為最初的泥塑火炬作品做數學建模

作為火炬重要部分外飄帶（外殼）的關鍵制造技術提供方，東華大學孫以澤團隊揭開“小”火炬背後的“大”學問。走進東華機械學院教授、紡織科技創新中心主任孫以澤的辦公室，寒假裡還是一番熱火朝天的景象，正是他領銜的教育部優秀創新團隊和上海市“教育先鋒号”團隊，曾經編織特種救生、通訊繩纜助力“蛟龍号”完成5000米級和7000米級深潛試驗，此番又攻關成功火炬外飄帶編織技術。

這支火炬藏着哪些黑科技呢？孫教授用“高新材料”“高新裝備”“高端制造”這三個“高”字來概括。2020年8、9月份，火炬總體承擔方上海石化找到在自動編織裝備領域深耕細作近20餘年的孫以澤，抛出了一道難題——如何用碳纖維複合材料将天馬行空的火炬外飄帶藝術造型高精度呈現出來。

孫以澤教授與團隊讨論數模

火炬“飛揚”的外飄帶造型是一個高維曲面體。孫教授說最初看到的泥塑火炬作品“飛揚”，那是來源于藝術家的靈感、手工塑造的精品——怎麼讓它活起來、火起來？

要突破的第一道難關就是數學建模，這樣才能高精度還原和複現美輪美奂的藝術設計作品，使自動化數字制造成為可能。為此，孫以澤率領團隊數次北上，與中央美院火炬外形設計師團隊、冬奧會組委相關工作人員等反複探讨、修改、打磨。去年春節期間，課題組成員們還在緊鑼密鼓做測試、改方案，從白天忙到黑夜，“團隊的博士們好幾次夜裡做夢，還夢到在做火炬外飄帶的數學建模。”功夫不負有心人，他們最終用多維曲面拟合智能算法完成了數學建模。

目前世界上最大的三維球面立體編織機

用上了全世界功能最強的三維球面立體編織機

孫以澤教授說道，火炬外飄帶是變徑、變曲率的，上下不一般粗，曲面厚薄也不一緻，傳統制造工藝無法實現，而由東華大學獨家研制、世界首創的大尺寸異形結構件三維高精度球面立體編織機成了“編織”火炬外衣的“秘密武器”。事實上，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形結構件。

它總共有576個編織錠子，可編織最大截面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。設備工作時，在環形球面軌道内，576個高速運動錠子不斷變軌飛速交叉、穿梭。“這編織過程可以說是‘險象環生’，每個運動錠子每個時刻都有14種碰撞的可能，”孫以澤形象地說道，“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，不僅是高速行駛，還要不停地立交變道，我們通過智能運算、精準變軌控制，才能避免‘交通事故’。”

團隊成員在現場指導立體三維編織

為了讓這些碳纖維複合材料在編織過程中“乖乖聽話”，同時在工業生産中立體還原外飄帶柔美飄逸的感覺，孫教授團隊研究控制算法、奇妙機構、變軌技術等，從理論推導到實驗驗證再到生産實踐，反複調試。

他們發明了所謂“偏心”編織方法，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，保證大尺寸異形結構件編織在複雜受力狀态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，實現了恒張力精确編織；還研發了高維曲面自動打磨的技能作業機器人系統。由此，火炬外飄帶做到了三維自動化立體編織和自動化打磨，不僅填補了國内空白，在國際上也處于領先地位。

“小火炬承載大能量，中國有能力、有技術編織高精度的碳纖維複合材料！”看着電視上火炬成功傳遞的畫面，孫以澤激動地說，“我們會用科技創新撐起大國重器的脊梁！”而今三維立體編織技術突破到2.0升級版，未來在無人機的結構件編織、多聯裝戰術導彈的筒體快速成型等民生和國防領域也大有可為。

欄目主編：徐瑞哲 文字編輯：徐瑞哲

本文圖片來源：除署名外，由東華大學課題組提供

來源：作者：徐瑞哲 朱一超

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