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《Science》:3D打印超材料微型機器人,鄭小雨教授團隊

3D打印動態(tài)
2022
06/17
10:40
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2022年6月17日,南極熊獲悉,《Science》雜志刊登了一篇美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)研究團隊的論文,論文介紹了一種3D打印的超材料微型機器人,可以實現自由的行走、避障甚至跳躍。


此次打印的微型機器人使用超材料,只有硬幣大小,只需要為機器人供電,它就能夠可按照設置的程序自行移動,沒有復雜的傳動系統(tǒng)。



這項項研究的首席研究員、UCLA工程學院助理教授鄭小雨表示:新方法將復雜的運動、多種傳感模式和可編程決策能力緊密集成在一起,類似于生物系統(tǒng)中的神經、骨骼和肌腱協同工作,以執(zhí)行受控運動。

那么這款3D打印的微型機器人究竟是如何實現運動的呢?

首先,我們需要了解一下什么是超材料:

超材料(英文:Metamaterial), 拉丁語詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義。指的是一類具有特殊性質的人造材料,這些材料是自然界沒有的。它們擁有一些特別的性質,比如讓光、電磁波改變它們的通常性質,而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無法實現的。超材料的成分上沒有什么特別之處,它們的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構,大小尺度小于它作用的波長,因此得以對波施加影響。 對于超材料的初步研究是負折射率超材料。

超材料的奇異性質使它具有廣泛的應用前景,從高接收率天線,到雷達反射罩甚至是地震預警。

超材料是一個跨學科的課題,囊括電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學以及納米科技等等。

那么,通過3D打印技術制造特定的晶格結構,并將不同的晶格結構組合在一起,就能實現特定的功能。比如論文中使用的壓電超材料是一種復雜的晶格材料,可以根據電場來改變形狀和移動,也可以基于外界受力而產生電荷。


△具有膨脹、剪切、扭轉和彎曲應變模式的超材料的特征平面、單元格和鑲嵌方法的運動示意圖


△3D打印的壓電超材料晶格,構成了微型機器人的單元

△電池供電的機器人的組裝及其控制回路的設計

再將多個微型機器人單元組合成特定的形狀,在通電之后每個單元的形狀改變,讓機器人實現了移動的效果。通過改變電源的電壓、頻率等參數,還可以讓微信機器人的運動模式發(fā)生變化。



研究人員在視頻中展示了微型機器人的運動模式,轉向模式,跳躍模式,受到攻擊之后轉向,過S彎以及砂石路面上的行走。



這個3D打印的超材料微型機器人的尺寸僅有一枚硬幣大小,大大簡化了常規(guī)的運動系統(tǒng),未來可能會有廣泛的應用價值。比如在生物醫(yī)療領域,制作微型體內“游泳機器人”,也可以用于宏觀尺寸的危險環(huán)境探索等。

原文鏈接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0090









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