一種新的設(shè)計(jì)策略和3D打印技術(shù)

隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。實(shí)際上，“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)在1921年卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）創(chuàng)作的一部科幻劇中。

目前大多數(shù)機(jī)器人，無論其大小，通常都是通過一系列復(fù)雜的制造步驟構(gòu)建的，這些步驟集成了肢體、電子和有源組件。與用提供不同功能的獨(dú)立部件來建造機(jī)器人相比，用多功能超材料建造的機(jī)器人具有一定的優(yōu)勢(shì)。超材料是一種由重復(fù)圖案組成的合成結(jié)構(gòu)，旨在表現(xiàn)出理想的宏觀特性。

與大宗材料不同，超材料的行為受其工程結(jié)構(gòu)的制約，而不是純粹由其材料構(gòu)成驅(qū)動(dòng)。增材制造技術(shù)，如3D打印，已經(jīng)加速了復(fù)雜的超材料的制造，其規(guī)模越來越小，功能也前所未有。傳統(tǒng)上，制造機(jī)器人依賴于組裝離散的執(zhí)行器、傳感器、微處理器和電源。機(jī)器人超材料通過在超材料的周期性結(jié)構(gòu)中構(gòu)思自主性來挑戰(zhàn)這種模式。

從歷史上看，超材料的研究主要集中在光學(xué)應(yīng)用上，例如具有超出普通透鏡和反射鏡能力的可調(diào)諧光學(xué)特性的超材料。然而，近年來，研究人員越來越多地轉(zhuǎn)向在其他領(lǐng)域采用這種設(shè)計(jì)原理。比如無需使用傳動(dòng)齒輪即可將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械超材料，或能夠按需調(diào)整剛度或變形等體積特性的鑲嵌機(jī)器人群。創(chuàng)造機(jī)器人超材料的另一條途徑是在結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)“機(jī)器人任務(wù)”。例如，人們可以設(shè)計(jì)一種超材料，其變形可以通過電信號(hào)進(jìn)行控制。

鑒于此，《Science》期刊曾在線發(fā)表了加州大學(xué)洛杉磯分校的鄭小雨教授團(tuán)隊(duì)的新成果。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)策略和 3D 打印技術(shù)，可以一步構(gòu)建機(jī)器人。第一作者為崔華晨。

具體而言，作者開發(fā)了一種合理設(shè)計(jì)壓電超材料的方法，該材料由無源、壓電有源和導(dǎo)電相組成，可以執(zhí)行一些機(jī)器人任務(wù)（Figure1）。所需的變形模式，例如扭曲，近似為一些通過結(jié)構(gòu)的離散平面的運(yùn)動(dòng)。

反過來，這些平面的允許運(yùn)動(dòng)將告知結(jié)構(gòu)相、致動(dòng)器和電極應(yīng)如何在壓電超材料內(nèi)組織以產(chǎn)生目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。在經(jīng)典的彈性理論中，彈性材料的變形以拉伸、壓縮和剪切為特征。本文作者應(yīng)用了微極彈性，通過在平移之上結(jié)合旋轉(zhuǎn)來擴(kuò)展經(jīng)典彈性。這種方法能夠更全面地評(píng)估壓電超材料的宏觀膨脹、剪切、扭曲和彎曲對(duì)其微結(jié)構(gòu)、極化和施加的電場(chǎng)。

Figure 1. 示意圖

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】

架構(gòu)材料的核心概念是在 3D 單元拓?fù)渲胁皇芟拗频胤胖貌牧?，繞過天然晶體固有的限制或模仿它們以實(shí)現(xiàn)所需的特性。為此，作者引入了一種方便且強(qiáng)大的策略來構(gòu)建 3D 空間中的壓電活性、導(dǎo)電和結(jié)構(gòu)相（圖 1A）。因?yàn)楝F(xiàn)有的壓電張量不足以描述所有的自由度，作者在 Cosserat 固體的基礎(chǔ)上定義了廣義壓電張量來描述架構(gòu)壓電材料的應(yīng)變轉(zhuǎn)換（圖 1B）。微結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)（晶胞）如圖1C-1K所示。

圖 1. 具有任意應(yīng)變模式的機(jī)器人超材料的合理設(shè)計(jì)

【機(jī)器人超材料的增材制造】

作者開發(fā)了一種電荷程序化多材料增材制造技術(shù)，能夠?qū)弘娀钚韵?、結(jié)構(gòu)相和導(dǎo)電相組裝成復(fù)雜的3D微架構(gòu)。首先，通過多材料3D打印系統(tǒng)（材料和方法）打印帶負(fù)電荷的樹脂和高負(fù)載的納米粒子膠體，如圖2A所示。然后將導(dǎo)電相選擇性地沉積在帶電樹脂上，形成帶有電極的 3D 微架構(gòu)（圖 2B）。

此外，氧化鉛用于提供液體密封和富鉛環(huán)境，以抑制 PZT 在高于 800°C 的溫度下的鉛蒸發(fā)（圖 2D）。這種 3D 制造方法允許制造具有精確、微尺度 3D 結(jié)構(gòu)和低孔隙率的壓電活性材料（圖 2E-2H）?？傊?，作者使用具有空間編程靜電荷的多材料立體光刻系統(tǒng)，并在選定區(qū)域制造了裝飾有導(dǎo)電金屬和壓電特性的3D陶瓷晶格。

圖 2. 多材料制造平臺(tái)

【多自由度放大和程序化應(yīng)變】

由增材制造的機(jī)器人超材料可以使用電場(chǎng)到機(jī)械應(yīng)變的雙向轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和傳感。逆壓電效應(yīng)賦予機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力，而直接和雙向壓電效應(yīng)分別通過本體感受（自我監(jiān)測(cè)）和外感受（接觸檢測(cè)和遙感）實(shí)現(xiàn)反饋控制。超材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許將電極直接放置在壓電活性支柱上，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的電場(chǎng)并放大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。

圖 3. 機(jī)器人超材料設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

同時(shí)，作者巧妙地將驅(qū)動(dòng)和感知交織在一個(gè)輕巧的微型復(fù)合3D格子中，該格子可以四處移動(dòng)并感知周圍環(huán)境。然后，作者通過設(shè)計(jì)板載控制系統(tǒng)和電源，朝著不受束縛的實(shí)施邁出了一步。這種系統(tǒng)級(jí)集成雖然很少見，但可以充分挖掘現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景中快速發(fā)展的機(jī)器人材料的全部潛力，并找出它們的缺點(diǎn)。

考慮到這里討論的移動(dòng)壓電超材料，壓電活性元件的布線仍然是增強(qiáng)其多功能性的限制因素，而分配功率和分散控制仍然是需要克服的障礙。盡管存在這些限制，但作者證明，當(dāng)移動(dòng)性和不受約束的自主性不是必需的時(shí)，一塊壓電架構(gòu)可以用作具有六個(gè)自由度的緊湊型3D打印機(jī)械手，即能夠沿所有三個(gè)軸平移并圍繞所有三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。

圖 4. 刺激響應(yīng)多模式移動(dòng)微型機(jī)器人

審核編輯 ：李倩