如何应用微极弹性辅助机器人构建

随着人工智能技术的进步，智能机器人产业如雨后春笋般蓬勃发展。实际上，“机器人”一词最早出现在1921年卡雷尔·卡佩克（KarelCapek）创作的一部科幻剧中。

目前大多数机器人，无论其大小，通常都是通过一系列复杂的制造步骤构建的，这些步骤集成了机身、电子和有源组件。与用提供不同功能的独立部件来建造机器人相比，用多功能超构材料建造的机器人具有一定的优势。超构材料是一种由重复图案组成的合成结构，旨在表现出理想的宏观特性。与大宗材料不同，超构材料的行为受其工程结构的制约，而不是纯粹由其材料构成驱动。增材制造技术，如3D打印，已经加速了复杂的超构材料的制造，其尺寸越来越小，功能也前所未有。传统上，制造机器人依赖于组装离散的执行器、传感器、微处理器和电源。机器人超构材料通过在超构材料的周期性结构中构思自主性来挑战这种模式。

从以往的研究上看，超构材料的研究主要集中在光学应用上，例如具有超出普通透镜和反射镜能力的可调谐光学特性的超构材料。然而，近年来，研究人员越来越多地转向在其他领域采用这种设计原理。比如无需使用传动齿轮即可将线性运动转换为旋转的机械超构材料，或能够按需调整刚度或变形等体积特性的镶嵌机器人群。创造机器人超构材料的另一条途径是在结构中体现“机器人任务”。例如，人们可以设计一种超构材料，其变形可以通过电信号进行控制。

鉴于此，最新一期《Science》期刊在线发表了加州大学洛杉矶分校的郑小雨教授团队的新成果。该团队开发了一种新的设计策略和3D打印技术，可以一步构建机器人。崔华晨为第一作者。

 

具体而言，研究人员开发了一种合理设计压电超构材料的方法，应用微极弹性，通过在平移之上结合旋转来扩展经典弹性，从而辅助机器人构建（图1）。

 

图1 示意图

此外，研究人员引入了一种方便且强大的策略来构建3D空间中的压电活性、导电和结构相（图2A）。因为现有的压电张量不足以描述所有的自由度，研究人员在Cosserat固体的基础上定义了广义压电张量来描述架构压电材料的应变转换（图2B）。微结构的具体结构（晶胞）如图2（C-K）所示。

图2 具有任意应变模式的机器人超构材料的合理设计

在此基础上，研究人员开发了一种电荷程序化多材料增材制造技术，能够将压电活性相、结构相和导电相组装成复杂的3D微架构。首先，通过多材料3D打印系统（材料和方法）打印带负电荷的树脂和高负载的纳米粒子胶体，如图3A所示。然后将导电相选择性地沉积在带电树脂上，形成带有电极的3D微架构（图3B）。此外，氧化铅用于提供液体密封和富铅环境，以抑制PZT在高于800°C的温度下的铅蒸发（图3D）。这种3D制造方法允许制造具有精确、微尺度3D结构和低孔隙率的压电活性材料（图3E-3H）。总之，研究人员使用具有空间编程静电荷的多材料立体光刻系统，并在选定区域制造了装饰有导电金属和压电特性的3D陶瓷晶格。

图3 多材料制造平台

由增材制造的机器人超构材料可以使用电场到机械应变的双向转换来产生运动和传感。逆压电效应赋予机器人驱动能力，而直接和双向压电效应分别通过本体感受（自我监测）和外感受（接触检测和遥感）实现反馈控制。超构材料的拓扑结构允许将电极直接放置在压电活性支柱上，从而产生更强的电场并放大驱动应变。

图4 机器人超构材料设计的实验验证

同时，研究人员巧妙地将驱动和感知系统集成在一个轻巧的微型复合3D格子中，该格子可以四处移动并感知周围环境。这种系统级集成虽然很少见，但可以充分挖掘现实世界场景中快速发展的机器人材料的全部潜力，并找出它们的缺点。考虑到这里讨论的移动压电超构材料，压电活性元件的布线仍然是增强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碍。

图5 刺激响应多模式移动微型机器人

原文标题：3D打印压电超构材料，可以实现自主感知、导航机器人

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      审核编辑：彭静