研究

研究人员4D打印管状软机器人,能够自己滚动和攀爬

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来自天津大学在中国,4D打印出了一个可以自主行走的软机器人。

这种管状机器人由一种叫做液晶弹性体的材料制成,当接触到热量时,它可以自我组装。该设备巧妙地利用编程的折叠模式在自身体内诱发张力,使其能够像圆木一样滚动。除了在平面上行走,4D打印的软机器人还能够完成更有挑战性的任务,比如爬上20°的斜坡,甚至拖动高达自身质量40倍的重物。

“就像有触角的昆虫一样,机器人可以跨越一个小障碍。但当障碍太高时,它会掉头,”天津大学材料科学家、该研究的资深作者魏峰(音译)表示。“整个过程是自发的,没有人为干预或控制。”

3D打印和加热软机器人。天津大学图片。
3D打印和加热软机器人。天津大学图片。

4D打印用液晶弹性体

液晶弹性体是一种可弯曲的塑料材料,加热后可以收缩。这使得它成为一个伟大的材料类可逆驱动应用,如软机器人,特别是因为它们可以用于生产大的工作密度。

以天津大学的软机器人为例,研究人员3D打印了一块扁平的矩形液晶弹性体,并将其下面的表面加热到160°C及以上。在这个温度下,来自下面表面的热量会使机器人自身扭曲,形成类似螺旋弹簧的管状结构。与受热表面的进一步接触会导致材料产生应变,使其通过蠕动自行滚动。

打印后(由热引起的)形状的变化是使设备打印4D的原因,因为时间的第四维被添加到方程中。

达到48厘米/分钟

一旦打印出来,这个软体机器人就会进行一系列性能测试。研究人员发现,它表现出非常强大的驱动力,这使它能够爬上20°的斜坡,并承载比它自身重得多的负载。最终,4D团队打印了几个机器人并让它们进行比赛,发现机器人的长度对其速度有很大的影响。其中一个较长的机器人,跨度10厘米,在平面上达到48厘米/分钟。

“我们通过4D打印将液晶弹性体加工成各种形状的样品,并用光、热和电刺激这些样品来观察它们的反应,”冯补充说。“除了变形,我们还发现了很多有趣的驾驶现象。”

随着未来应用的发展,天津的研究人员希望看到他们的软机器人在狭窄的空间,如管道,或在超过200°C的极端条件下工作。冯总结道:“我们希望软机器人不再局限于简单的驱动器,因为驱动器只能在固定的位置改变形状。”

这项研究的更多细节可以在题为“具有触觉感知的4D印刷无约束自推进软机器人:滚动、比赛和探索”。

3D打印所赋予的设计自由,使该技术成为一种非常有用的工具,适用于软机器人等新应用。今年早些时候,来自哈佛大学还使用3D打印技术开发了一个柔软的机器鱼能够以复杂的模式游动没有Wi-Fi或GPS的帮助。该团队的“蓝鲸”以独特的暗礁鱼为灵感,采用四个鳍进行精确导航,并配备LED和摄像头系统,使它们能够在不发生碰撞的情况下成群结队。

其他地方,在林克平大学研究人员此前已经开发了一套用于软微机器人的微执行器使用定制的基于拉伸的3D打印机。致动器包含一种电活性聚合物,在电荷存在的情况下打印后改变形状,赋予其4D能力。

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特色图片展示了软件机器人的3D打印和加热。图片来自天津大学。

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