3D打印再登Science，一步构建“元机器人”！

【研究背景】

压电材料能够将电场转换为机械应变，反之亦然，是在机器人系统中提供传感和驱动功能的理想候选材料。这些材料广泛应用于精密执行器、机械手、加速计和触觉传感器，以产生机器人运动和传感反馈。为了在机器人系统中使用压电材料作为传感器，制造过程必须涉及广泛的加工和组装步骤，如陶瓷加工、层压、连接激活和驱动的平面电极，以及与传输机构的集成，以放大压电应变并将应变转换为所需方向的运动。这些制造路线通常只加工固体压电材料，无法精确地对电极进行图形化，因此难以减轻驱动元件的重量并在小范围内激活双向压电效应。与用提供不同功能的独立部件来建造机器人相比，用多功能超材料建造的机器人具有一定的优势。增材制造技术，如3D打印，已经加速了复杂的超材料的制造，其规模越来越小，功能也前所未有。机器人超材料通过在超材料的周期性结构中构思自主性来挑战这种模式。

【成果简介】

近日，美国加州大学洛杉矶分校郑小雨团队报道了一种设计和制造路线，以创建一类机器人超材料，该超材料能够在多个自由度的运动中，在电场的作用下，在规定的方向上放大应变（反之亦然），从而通过自感测和反馈控制编程运动。这些机器人超材料由压电、导电和结构元素组成的网络交织成预先设计的3D晶格，由此产生的建筑材料就像主动感知和移动的本体感知微型机器人，可以执行一些机器人任务。所需的变形模式，例如扭曲，近似为一些通过结构的离散平面的运动。反过来，这些平面的允许运动将告知结构相、致动器和电极应如何在压电超材料内组织以产生目标运动。相关研究成果以“Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials”为题发表在Science上，第一作者为崔华晨。

【图文导读】

图一、具有任意应变模式的机器人超材料的合理设计

图二、多材料制造平台

图三、机器人超材料设计的实验验证

图四、刺激响应型多模态移动微型机器人

【全文总结】

综述所述，本研究介绍了一种设计和构建机器人超材料的策略—在结构中体现“机器人任务”，该超材料将电子、结构和导电微尺度支柱元素整合到三维架构中。具体而言，通过开发了一种合理设计压电超材料的方法，该材料由无源、压电有源和导电相组成，可以执行一些机器人任务包括扭转、弯曲、复合、解耦和放大应变。微结构设计超越了天然压电晶体的限制，其中压电应变依赖于可用的天然晶体结构。该设计策略可以与拓扑优化算法相结合，生成任意压电张量。多材料添加剂制造技术将压电陶瓷、金属和结构材料组合成复杂的三维结构。由此产生的具有毫米至厘米尺寸的超材料能够输出具有高阻挡力的多自由度运动，以及感应接触和远程刺激。这是在没有任何外部传感器和传输的情况下完成的。本研究的设计框架和制造方法对微型机器人、传感器和机器人材料的未来发展具有直接影响，通过简化的人工材料，将有可能实现所需的运动和决策。

文献链接：Design and printing of proprioceptive three-dimensional architected robotic metamaterials (Science 2022, 376, 1287-1293)

本文由大兵哥供稿。

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