4D打印仿生觸覺應(yīng)變軟體機(jī)器人：自主驅(qū)動(dòng)翻越障礙，可深入極端環(huán)境探測(cè)運(yùn)輸

近年，一類看起來(lái)黏黏糊糊的軟體機(jī)器人（Soft Robot）持續(xù)受到科學(xué)家們的關(guān)注。這種由軟體驅(qū)動(dòng)材料構(gòu)成的機(jī)器人可以大幅改變身體形狀以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。通過(guò)模仿蚯蚓、章魚、水母等無(wú)骨骼動(dòng)物，科研學(xué)者希望這類機(jī)器人能夠鉆進(jìn)傳統(tǒng)剛性機(jī)器人或人類難以深入的地方開展工作，如深海、災(zāi)害救援區(qū)或戰(zhàn)地現(xiàn)場(chǎng)等。

當(dāng)前，軟機(jī)器人的制作工藝多采用手工裝配，這種制造方法不僅限制了材料的選擇范圍，其復(fù)雜的程序也使得生產(chǎn)效率較低。近年來(lái)，隨著 3D 打印技術(shù)的成熟，使用 3D 打印制造軟體機(jī)器人成為科學(xué)家們的最佳選擇之一。

近日，天津大學(xué)的封偉團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，他們?cè)?3D 打印軟體機(jī)器人的制作上增加了時(shí)間維度，即使用 4D 打印，制作出了能自主驅(qū)動(dòng)并響應(yīng)刺激的智能軟體機(jī)器人。

4D 打印一步塑成，簡(jiǎn)單快速賦予機(jī)器生命力

3D 打印，即增材制造（AdditiveManufacturing，AM）   ，是一種 “自下而上” 的制造方法。這種技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，能夠自動(dòng)將設(shè)計(jì)思想通過(guò)堆積的方式對(duì)材料進(jìn)行加工和塑型。通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)，3D 打印能夠顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。

傳統(tǒng)上，3D 打印所使用的材料包括金屬、陶瓷、塑料、砂等。倘若將這些傳統(tǒng)材料進(jìn)化擁有感知能力的智能材料（Intelligent material），便可以實(shí)現(xiàn)人工智能（AI,Artificial Intelligence）的快速制造。這種對(duì)智能材料的精確加工，就是 4D 打印技術(shù)。

使用 4D 打印技術(shù)制造軟體機(jī)器人能夠顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。但目前，通過(guò) 4D 打印直接獲得智能軟體機(jī)器人仍面臨諸多問題。最大的難點(diǎn)便是材料和設(shè)備的契合上。

“在這個(gè)領(lǐng)域不僅要做我們的老本行——材料，還要跨領(lǐng)域組裝設(shè)備，最后要讓材料與設(shè)備高度契合才能獲得最佳的打印屬性，這是最大的難點(diǎn)。" 封偉介紹道。

近日，Cell 出版社旗下頂尖期刊 Matter 發(fā)表了封偉團(tuán)隊(duì)的最新成果，題目為 “4D Printed untethered self-propelling soft robot with tactileperception: rolling, racing, and exploring”。他們通過(guò) 4D 打印對(duì)智能材料 “液晶彈性體” 進(jìn)行精確加工，一步獲得具有感知能力和適應(yīng)性的智能軟體機(jī)器人。

該機(jī)器人在加熱到 160 攝氏度時(shí)可以自主由矩形變?yōu)槁菪軤?，并?shí)現(xiàn) “無(wú)繩” 自動(dòng)滾走。傳統(tǒng)軟體機(jī)器人需要“系繩”連接到電源以獲得驅(qū)動(dòng)力，封偉團(tuán)隊(duì)的軟體機(jī)器人在智能材料的加持下，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外力的自主驅(qū)動(dòng)，脫離了 “系繩” 的束縛。

演示中，這個(gè) 10 厘米長(zhǎng)的軟體機(jī)器人在水平面上行動(dòng)的最高速度達(dá)到了每分鐘 48 厘米，并最終能在 20 度左右的斜坡上爬行。軟體機(jī)器人的速度可以通過(guò)改變尺寸進(jìn)行調(diào)整。

在制造軟機(jī)器人方面，現(xiàn)有的 4D 打印智能材料還包括形狀記憶聚合物和水凝膠，前者在打印后還需要進(jìn)行進(jìn)一步加工才能獲得變形能力，因此增加了生產(chǎn)的不穩(wěn)定因素；后者水凝膠的變形能力有限，且只能應(yīng)用在水環(huán)境中。

1981 年， Finkelmann 等人通過(guò)側(cè)鏈液晶聚合物交聯(lián)，制備出世界上首例液晶彈性體（Liquid crystal elastomer，LCE）。這是一種可響應(yīng)外界刺激、并產(chǎn)生可逆驅(qū)動(dòng)的智能高分子材料。它兼具了彈性體和液晶的雙重優(yōu)勢(shì)，即彈性、有序、可流動(dòng)，在有熱或者電信號(hào)的刺激下可以改變形狀。該材料在變形時(shí)的特性與生物肌肉在遇到神經(jīng)細(xì)胞的信號(hào)時(shí)的收縮非常相似，因此在人造肌肉等方面頗具應(yīng)用前景，近年來(lái)也被應(yīng)用到軟體機(jī)器人的打印中。

"我們是將液晶單體輕度聚合成有剪切變稀特性的前驅(qū)體墨水，然后通過(guò)熱直寫技術(shù)將墨水按一定的路徑擠出成型，并在擠出的同時(shí)用紫外光將模型固化，得到各種形狀的樣品。"

“該機(jī)器人在一次打印成型后即具有熱致無(wú)約束滾動(dòng)能力，無(wú)需任何其他后續(xù)加工程序，制作簡(jiǎn)單快速，重復(fù)性好?！?封偉表示，“最讓我們驚喜的是這種機(jī)器人的自主性，以及在遇到障礙物時(shí)的智能仿生行為。"

仿生物感知能力：自主行動(dòng)+觸覺應(yīng)變

人工智能的 “智” 通常是指在思維、感知與行動(dòng)三方面擁有與人類匹敵甚至超于人類的能力。機(jī)器感知（Machineperception）是其中一個(gè)重要方向，即用機(jī)器或計(jì)算機(jī)模擬、延伸和擴(kuò)展人的感知或認(rèn)知能力，包括視覺、聽覺、觸覺等。目前的軟體機(jī)器人，尤其是由單種材料構(gòu)成的軟體機(jī)器人，離真正的人工智能仍有很長(zhǎng)的距離。

封偉團(tuán)隊(duì)此次運(yùn)用智能材料制造出來(lái)的軟體機(jī)器人在行為學(xué)上體現(xiàn)了一定智能性。軟體機(jī)器人的滾動(dòng)方向由其螺旋筒狀身軀的曲率方向控制，這賦予了軟體機(jī)器人類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，能夠探測(cè)前方道路障礙物，并自主實(shí)現(xiàn)翻越或折返等行為。

此外，螺旋管的中空部位為貨物裝載提供了空間。根據(jù)測(cè)量，該軟體機(jī)器人可以承受自重量 40 倍的負(fù)載，這使其同時(shí)具備在高溫環(huán)境下進(jìn)行貨物運(yùn)輸和智能探測(cè)的能力。

“我們希望通過(guò) 4D 打印能獲得具有感知能力和適應(yīng)性的智能軟體機(jī)器人，而不是僅僅只會(huì)變形的致動(dòng)器?！?封偉表示。

觸覺傳感器是《科技日?qǐng)?bào)》提出的 35 項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)之一，封偉團(tuán)隊(duì)接下來(lái)將會(huì)著力研究智能觸覺感知材料和相關(guān)應(yīng)用，使其模仿人類皮膚，把溫度、濕度、力等感覺用定量的方式表達(dá)出來(lái)，賦予機(jī)器人感知的能力。

“目前的研究多數(shù)都是基于彎曲變形的致動(dòng)器，這僅僅是初步的刺激響應(yīng)性。我們希望未來(lái)的軟體機(jī)器人能具有更豐富的智能驅(qū)動(dòng)能力，可以模仿更多動(dòng)物或人的行為?！?/span>

本文章第一作者為天津大學(xué)材料學(xué)院博士研究生翟飛，封偉教授為本文通訊作者。近年來(lái)，封偉教授團(tuán)隊(duì)在智能材料領(lǐng)域開展了一系列創(chuàng)新性研究工作。封偉所帶團(tuán)隊(duì)主要從事功能性高分子新材料和有機(jī)光電器件以及納米復(fù)合材料的相關(guān)研究，特別是光、電響應(yīng)高分子新材料的研究。刺激響應(yīng)高分子材料主要有形狀記憶聚合物、水凝膠材料、液晶彈性體材料等。封偉團(tuán)隊(duì)在本領(lǐng)域主攻偶氮分子基光響應(yīng)材料、聚合物基應(yīng)力應(yīng)變傳感、熱傳感材料研究。目前，課題組主要在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、科技部973項(xiàng)目等支持下開展基礎(chǔ)理論及應(yīng)用開發(fā)研究。

對(duì)于國(guó)內(nèi)的領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r，封偉表示：“當(dāng)前中國(guó)的 4D 打印研究還處于一個(gè)起步階段，不論是設(shè)備還是材料都亟需深度開發(fā)，不同類型的設(shè)備需要各自特定的智能材料墨水，這些都需要從頭做起，而且需要跨領(lǐng)域跨行業(yè)的深度合作才能整體推動(dòng)進(jìn)步。目前，在這種跨行業(yè)合作方面的力度還不夠?？偟膩?lái)說(shuō)，4D 打印技術(shù)代表了智能制造的未來(lái)，是一個(gè)值得大力投入的高精尖領(lǐng)域?！?/span>

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