冰火相约，激情“飞扬”，2月2日上午北京冬奥会火炬接力启动，2月2日—4日在北京、延庆、张家口3个赛区进行火炬传递。这支“飞扬”火炬的旋转上升姿态，犹如丝带舞动飘逸，顶端化作熊熊火焰……
北京2022年冬奥会火炬接力启动仪式在北京奥林匹克森林公园举行。 新华社记者 贾浩成 摄
你知道吗？冬奥火炬是“穿外衣”的，而且是碳纤维衣。在合作研制团队淮安的生产车间里，一台足有8米直径的环形“大家伙”高速运转着，成百上千根黑色丝束在交织穿梭，乍一看就像在“织毛衣”，只需数分钟，便能“编”出一件精确到“克”的火炬外衣。
合作方淮安基地的火炬“飞扬”生产场景
夜里梦到为最初的泥塑火炬作品做数学建模
作为火炬重要部分外飘带（外壳）的关键制造技术提供方，东华大学孙以泽团队揭开“小”火炬背后的“大”学问。走进东华机械学院教授、纺织科技创新中心主任孙以泽的办公室，寒假里还是一番热火朝天的景象，正是他领衔的教育部优秀创新团队和上海市“教育先锋号”团队，曾经编织特种救生、通讯绳缆助力“蛟龙号”完成5000米级和7000米级深潜试验，此番又攻关成功火炬外飘带编织技术。
这支火炬藏着哪些黑科技呢？孙教授用“高新材料”“高新装备”“高端制造”这三个“高”字来概括。2020年8、9月份，火炬总体承担方上海石化找到在自动编织装备领域深耕细作近20余年的孙以泽，抛出了一道难题——如何用碳纤维复合材料将天马行空的火炬外飘带艺术造型高精度呈现出来。
孙以泽教授与团队讨论数模
火炬“飞扬”的外飘带造型是一个高维曲面体。孙教授说最初看到的泥塑火炬作品“飞扬”，那是来源于艺术家的灵感、手工塑造的精品——怎么让它活起来、火起来？
要突破的第一道难关就是数学建模，这样才能高精度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。为此，孙以泽率领团队数次北上，与中央美院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。去年春节期间，课题组成员们还在紧锣密鼓做测试、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。”功夫不负有心人，他们最终用多维曲面拟合智能算法完成了数学建模。
目前世界上最大的三维球面立体编织机
用上了全世界功能最强的三维球面立体编织机
孙以泽教授说道，火炬外飘带是变径、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，而由东华大学独家研制、世界首创的大尺寸异形结构件三维高精度球面立体编织机成了“编织”火炬外衣的“秘密武器”。事实上，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，不仅是高速行驶，还要不停地立交变道，我们通过智能运算、精准变轨控制，才能避免‘交通事故’。”
团队成员在现场指导立体三维编织
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，孙教授团队研究控制算法、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。
他们发明了所谓“偏心”编织方法，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；还研发了高维曲面自动打磨的技能作业机器人系统。由此，火炬外飘带做到了三维自动化立体编织和自动化打磨，不仅填补了国内空白，在国际上也处于领先地位。
“小火炬承载大能量，中国有能力、有技术编织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！”而今三维立体编织技术突破到2.0升级版，未来在无人机的结构件编织、多联装战术导弹的筒体快速成型等民生和国防领域也大有可为。
栏目主编：徐瑞哲 文字编辑：徐瑞哲
本文图片来源：除署名外，由东华大学课题组提供
来源：作者：徐瑞哲 朱一超
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