“出生”即可工作 天津大學(xué)研發(fā)4D打印軟體機(jī)器人

近日，天津大學(xué)材料學(xué)院教授封偉研發(fā)了一種具備自主行動(dòng)能力和觸覺應(yīng)變的4D打印軟體機(jī)器人，該機(jī)器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動(dòng)能力，無需任何其他后續(xù)加工程序。

該研究成果在《細(xì)胞》出版社旗下頂尖期刊《物質(zhì)》發(fā)表。

傳統(tǒng)制造方法限制了軟體機(jī)器人“智能”

軟體機(jī)器人是一種新型柔韌機(jī)器人，他們能夠適應(yīng)不同的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，更好、更安全地與人類進(jìn)行交互。同傳統(tǒng)機(jī)器人相比，它們靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，危險(xiǎn)性更小。但是目前，軟體機(jī)器人主要采用手工裝配工藝制造。制造方法的局限性導(dǎo)致了生產(chǎn)困難，限制了材料選擇范圍，并且難以獲得復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)性能，特別是無限制的自主運(yùn)動(dòng)和感知能力。

相比之下，3D打印(增材制造技術(shù))可以基于數(shù)字模型自動(dòng)準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為復(fù)雜零件，從而顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。

“我們在3D打印的基礎(chǔ)上，為軟體機(jī)器人制造增加‘時(shí)間’維度——即4D打印，將智能材料加工成對熱刺激具有響應(yīng)行為的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)材料。”封偉介紹，我們希望通過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，而不是僅僅只會變形的致動(dòng)器。如果軟體機(jī)器人能具有更豐富的驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，就可以模仿更多動(dòng)物或人的行為，實(shí)現(xiàn)智能化，也就是人工智能。而目前的研究多數(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)性能。

4D打印直接獲得智能軟體機(jī)器人

通過4D打印直接獲得智能軟體機(jī)器人是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

封偉團(tuán)隊(duì)通過4D打印對液晶彈性體智能材料進(jìn)行精確加工，直接獲得了具有感知能力和適應(yīng)性的智能軟體機(jī)器人。“液晶彈性體是一種交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，可將各向異性的剛性介晶單元連接在聚合物網(wǎng)絡(luò)中，其特殊的結(jié)構(gòu)將橡膠的彈性和液晶的各向異性有機(jī)結(jié)合起來，產(chǎn)生特殊的光學(xué)和物理特性。”封偉介紹，由于晶體內(nèi)的原子定向排布導(dǎo)致液晶各個(gè)方向上所體現(xiàn)出來的性質(zhì)都不一樣，這就是各向異性。

通過改造基于熔融沉積技術(shù)的3D打印機(jī)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了液晶彈性體的精準(zhǔn)墨水直寫打印技術(shù)。在此過程中，剛性介晶單元被直接寫入具有可控分子序列的三維結(jié)構(gòu)中。由于介晶排列順序是通過打印路徑設(shè)置的，因此不同的排列順序可以實(shí)現(xiàn)不同的刺激響應(yīng)性能。

封偉團(tuán)隊(duì)通過全新的液晶彈性體熱驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，得到了一種具備自主行動(dòng)能力和觸覺應(yīng)變的4D打印軟體機(jī)器人。該機(jī)器人在一次打印成型后即具有熱致無約束滾動(dòng)能力，無需任何其他后續(xù)加工程序，制作簡單快速，重復(fù)性好。

“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。機(jī)器人的滾動(dòng)穩(wěn)定有力，而速度和方向可通過改變形狀和尺寸進(jìn)行調(diào)整。”封偉表示。

當(dāng)放置于160℃的熱臺上時(shí)，4D打印的矩形軟體機(jī)器人變形為螺旋管狀，并在加熱板上自動(dòng)開始滾動(dòng)。調(diào)整大小可以改變機(jī)器人的滾動(dòng)速度。而滾動(dòng)的方向由螺旋管的曲率方向控制，可以輕松改變。這種管狀機(jī)器人的整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程是自動(dòng)的，無需改變環(huán)境因素，完全能在脫離人工控制的情況下完成任務(wù)。由于軟體機(jī)器人顯示出一定的黏彈特性和相當(dāng)大的滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，所以即使以一定角度放置在傾斜的加熱板上時(shí)，依然可以向上滾動(dòng)。

可裝載機(jī)器人自重40倍的貨物

相比于在日常環(huán)境中執(zhí)行精確和重復(fù)性工作，機(jī)器人在極端環(huán)境中的工作更為不可替代。比在如酷熱、寒冷、輻射、深水、真空和其他條件下執(zhí)行智能和受控任務(wù)，對所有類型的機(jī)器人來說都是極具挑戰(zhàn)性的。而與具有剛性系統(tǒng)的普通金屬機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人在極端環(huán)境中的工作能力更為有限，特別是在極端高溫條件下。

目前的軟體機(jī)器人，特別是由單種材料組成的軟體機(jī)器人，走向人工智能的道路依舊漫長而艱難。

封偉團(tuán)隊(duì)此次研制的4D打印軟體機(jī)器人，由于螺旋圓筒的曲率方向控制滾動(dòng)方向的特性使得這種軟體機(jī)器人具有類似昆蟲觸角的觸覺感知能力，能夠探測前方道路上的障礙物，根據(jù)障礙物的高低實(shí)現(xiàn)翻越或折返，從行為學(xué)上體現(xiàn)了一定的智能性。比如當(dāng)機(jī)器人穿越未知的固定長度路徑時(shí)，將能實(shí)現(xiàn)3種場景：在預(yù)定時(shí)間內(nèi)穿越意味著滾動(dòng)路徑中不存在障礙物;比預(yù)定時(shí)間穿越的慢意味著未知路徑稍微被阻塞;機(jī)器人返回起點(diǎn)意味著未知路徑被嚴(yán)重或完全阻塞。

此外貨物運(yùn)輸也是無約束軟體機(jī)器人的一個(gè)重要應(yīng)用。“雖然我們的機(jī)器人只能向前和向后移動(dòng)，但它依然可以用于點(diǎn)對點(diǎn)貨物運(yùn)輸。”封偉介紹：“管狀機(jī)器人的空心圓筒為線形物體提供了裝載空間。為了測試管狀機(jī)器人在非線形物體情況下的運(yùn)輸能力，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)類似于地牛的小型牽引裝置，整個(gè)裝置可以在加熱板上以恒定速度移動(dòng)。這表明這種軟體機(jī)器人可以應(yīng)用于在極端高溫環(huán)境中執(zhí)行貨物運(yùn)輸任務(wù)。”

通過增加樣品長度，軟體機(jī)器人可顯著提高運(yùn)輸能力。如果樣品長度增加到米級時(shí)，管狀機(jī)器人的運(yùn)輸能力可能會增加一個(gè)數(shù)量級，裝載貨物的最大容量可達(dá)機(jī)器人重量的40倍。(陳曦 劉延俊)

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