旋转上升，犹如丝带舞动飘逸，化作顶端的熊熊火焰……作为历届奥运会中备受关注的元素之一，此次冬奥火炬“飞扬”一亮相就吸睛无数。

作为火炬重要部分外飘带（外壳）的关键制造技术提供方，东华大学机械工程学院教授、纺织科技创新中心主任孙以泽团队向《中国科学报》揭开了“小”火炬背后蕴藏的“大”学问。

“这是一次艺术设计与科技创新的完美碰撞。”孙以泽对《中国科学报》说，“小小火炬背后的‘黑科技’可以用‘高新材料’‘高新装备’‘高端制造’来概括。”

2020年8月，冬奥火炬总体承担方上海石化找到孙以泽，并抛出一道难题——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。

火炬“飞扬”的外飘带造型非常特殊，是一个高维曲面体，对工程化制造来说是种极复杂的异型结构件。

孙以泽最初看到的“飞扬”是个泥塑作品，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，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。

为打好“地基”，孙以泽团队数次北上，与中央美术学院火炬外形设计师团队、北京冬奥组委相关工作人员等反复探讨、修改、打磨。

去年春节期间，课题组成员还在紧锣密鼓地做测试、改方案，从白天忙到黑夜。

功夫不负有心人，在孙以泽的带领下，团队攻坚克难，最终用多维曲面拟合智能算法完成了数学建模。

在合作团队位于淮安的生产车间里，一台直径8米的环形“大家伙”正在高速运转，成百上千根黑色丝束交织穿梭，乍一看就像是在“织毛衣”。

只需数分钟，它便能“织”出一件精确到克的火炬“外衣”。

孙以泽说，火炬外飘带灵动且优美，但它是变径、变曲率的，上下不一样粗，曲面厚薄也不一致，传统制造工艺无法实现。

而这个“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型结构件三维高精度球面立体编织机。

这台编织机共有576个编织锭子，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。

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。

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型结构件。

“这个编织过程可以说是‘险象环生’，每个运动锭子时刻都会面临14种碰撞可能。”

孙以泽说，“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，不仅要高速跑，还要不断交叉、里外穿行变道跑，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，该团队研究控制算法、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“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，保证大尺寸异型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。