具体描述
This collection of technical articles, written by leading international researchers in robotics, presents threads of modern robotics research. Topics explored in these chapters include: (1) Mobile robots in extreme environments. (2) Autonomous spacecraft. (3) The design of networked robotic systems. (4) Robotic grasping using inputs from vision systems. (5) Advances in manipulation and mobility inspired by human control systems. (6) New directions in human-robot interaction. (7) A biomimetic approach to autonomous robot design. (8) Applying multi-task learning to inverse dynamics.
铸剑与雕魂：现代机械工程中的材料科学与制造工艺 图书简介 本书深入探讨了现代机械工程领域中，材料科学的原理、前沿应用，以及精密制造工艺的革新与挑战。它并非一本面向初学者的概论，而是为具备一定工程背景的工程师、研究人员以及高阶学生量身打造的深度参考资料。全书结构严谨，内容涵盖了从基础微观结构到复杂系统集成的多个维度，旨在揭示高性能机械系统的实现，离不开对“材”与“制”的精妙掌控。 第一部分：高性能材料的本质与设计 本部分聚焦于工程材料在极端工况下的行为模式，并阐述了如何通过材料设计来优化机械性能。 第一章：先进结构材料的微观结构控制 本章首先回顾了经典金属合金（如高熵合金、镍基高温合金）的晶体结构与相变动力学。重点分析了应力诱导相变在塑性变形中的作用，并引入了计算材料学工具，如密度泛函理论（DFT）和相场模拟，来预测材料在原子尺度上的行为。随后，内容转向新型复合材料，特别是碳纤维增强复合材料（CFRP）和陶瓷基复合材料（CMC）的界面设计。详细讨论了界面粘结强度、纤维取向对宏观力学性能（如层间剪切强度和疲劳寿命）的影响机制。我们特别关注了自修复复合材料的构建策略，通过引入微胶囊或形状记忆聚合物，实现对微裂纹的实时反馈与修复，显著延长关键结构部件的使用寿命。 第二章：功能性材料的集成与表征 本章从功能性需求出发，探讨了磁性材料、压电材料和热电材料在现代机械系统中的应用。对于磁性材料，深入分析了永磁体的矫顽力和剩磁的温度依赖性，并讨论了在电动驱动系统和传感器中，如何通过磁畴工程来提高能量密度和可靠性。在压电材料方面，重点剖析了PZT（锆钛酸铅）替代品的开发，如无铅锆钛酸铋钠（BZT-BTO），及其在主动振动控制和超声波换能器中的应用。热电材料部分，则侧重于塞贝克系数、电导率和热导率三者之间的相互制约关系，以及如何通过纳米结构化来打破传统材料的性能瓶颈，实现高效的热能回收。本章强调了非破坏性评估技术（如超声波衰减分析和X射线断层扫描）在表征这些功能材料内部缺陷和梯度结构中的关键作用。 第二章：极端环境下的材料可靠性 本章是全书的理论高地之一，聚焦于材料在超越传统界限的温度、应力、辐射和腐蚀环境中的失效机理。详细分析了高温蠕变、超塑性现象及其本构模型。对于疲劳问题，超越了传统的S-N曲线分析，引入了基于断裂力学和能量耗散模型的疲劳寿命预测方法，特别是针对多轴疲劳和低周疲劳的深入研究。在腐蚀领域，重点讨论了应力腐蚀开裂（SCC）和氢脆现象，结合电化学动力学理论，提出了在复杂应力场下预测裂纹萌生和扩展的耦合模型。此外，针对航空航天和核能领域，分析了离子辐照对材料晶格结构和力学性能的长期影响，并介绍了辐照损伤的再结晶和修复过程。 第二部分：精密制造工艺与增材制造的革命 本部分从制造视角出发，探讨了如何将先进材料塑造成具有精确几何形状和内部性能的复杂部件。 第三章：传统精密加工的物理与优化 本章对高精度机械加工过程进行了深入的物理建模。在切削加工方面，不仅分析了工具与工件界面的摩擦学行为和切屑形成机制，还引入了基于有限元分析（FEA）的切削力、温度和残余应力预测模型。重点讨论了超精密加工技术，如金刚石车削和磁悬浮主轴的应用，以实现纳米级的表面粗糙度。在磨削和抛光工艺中，强调了颗粒磨料与材料的相互作用，以及化学机械抛光（CMP）在半导体和光学元件制造中的精确控制。针对热敏感材料，探讨了低温冷却辅助加工技术（如液氮冷却）对减少加工硬化和提高表面完整性的效果。 第四章：增材制造（AM）的冶金学与过程控制 增材制造是本领域的前沿焦点，本章给予了大量的篇幅。首先，详述了基于粉末床熔融（PBF）技术的激光选区熔化（SLM）和电子束熔融（EBM）的物理过程。核心内容聚焦于熔池动力学：激光-粉末相互作用、液态金属的表面张力驱动流动、以及快速凝固过程中的枝晶生长与偏析现象。我们建立了熔池温度场与宏观缺陷（如未熔合、气孔）之间的定量关系模型。接着，深入研究了增材制造特有的残余应力产生与释放机制，并提出了在线反馈控制策略（如通过红外热像仪监测熔池形貌）来抑制翘曲和开裂。对于定向能量沉积（DLD）技术，分析了其在大型构件修复和异质材料梯度制造中的潜力，强调了层间结合强度的优化路径。 第五章：制造过程中的多尺度模拟与验证 本章旨在弥合设计与制造之间的鸿沟，强调多尺度模拟在过程优化中的核心地位。内容涵盖了从原子尺度的扩散和界面扩散到宏观尺度的结构成形的全流程仿真。详细介绍了如何利用晶体塑性有限元（CPFE）模型来模拟增材制造过程中晶粒取向的演化，并预测最终部件的各向异性力学性能。此外，本章还探讨了数字孪生技术在制造过程中的实际应用，通过实时数据采集与模型反馈，实现对制造参数的动态调整，确保产品批次间的一致性和可追溯性。最后，本书通过一系列工程案例，展示了如何综合运用材料数据、过程模拟和先进表征技术，成功开发出具有极端性能要求的关键机械部件。 本书的写作风格力求严谨而富有洞察力，避免使用宽泛的描述性语言，而是深入到具体的物理机制和数学模型中。全书旨在为读者提供一套完整的、从材料本征性质到最终产品制造的全景式知识体系。
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